Совершенствование состава и процессов структурообразования древесно-стружечных композитов строительного назначения
На правах рукописи
Вахнина Татьяна Николаевна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СОСТАВА И ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫХ КОМПОЗИТОВ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность: 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново 2009
Работа выполнена на кафедре механической технологии древесины
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Костромской государственный технологический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Каравайков Владимир Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Ибрагимов Александр Майорович
доктор технических наук, профессор
Покровская Елена Николаевна
Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский
институт строительных конструкций
им. В. А. Кучеренко, г. Москва
Защита состоится « 18 » декабря 2009 г. в 10 часов
на заседании диссертационного совета ДМ 212.060.01 в ГОУВПО «Ивановский
государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037,
г. Иваново, ул. 8 Марта, 20, конференц-зал.
Факс: (4932) 30-00-74, E-mail: [email protected], http://www.igasu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО
«Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан « 17 » ноября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент ________ Н. В. Заянчуковская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Древесные композиты являются перспективными конструкционно-отделочными материалами для строительства. Одним из видов композитов являются древесно-стружечные плиты (ДСтП). ДСтП производятся из возобновляемого природного материала – древесины, в том числе отходов ее переработки. Использование древесно-стружечных композитов является одним из рациональных путей использования материалов для строительства и отделки зданий и сооружений, поскольку позволяет снизить издержки на материалы. Производство древесно-стружечных композитов должно способствовать реализации Федеральной целевой программы «Доступное и комфортное жилье – гражданам России».
Существует ряд причин того, что в настоящее время в России отсутствует промышленное производство ДСтП строительного назначения. Согласно ГОСТ 10632–77 выпускались плиты марки П-3 строительного назначения. В редакции ГОСТ 10632–89 года было внесено изменение, касающееся области использования ДСтП – «кроме жилищного строительства, строительства зданий для детских, школьных и лечебных учреждений». Это сократило сферу применения древесностружечных плит в строительстве. Только с 1 января 2009 г. ограничения в области использования ДСтП в строительстве сняты.
Препятствием для развития производства древесно-стружечных композитов для строительства служит ужесточение требований к выделению из них свободного формальдегида. Лучшие отечественные предприятия выпускают плиты класса эмиссии свободного формальдегида Е1, соответствующие российской норме (не более 10 мг/100 г абсолютно сухой плиты). Согласно ГОСТ 10632–2007 выделение свободного формальдегида из плит должно соответствовать требованиям европейского стандарта ЕN 312 (Е1 – не более 8 мг). Это требование ставит задачу обеспечения соответствия плитных материалов европейским нормам.
Кроме экологичности, древесно-стружечные композиты для строительства должны обладать повышенной огнестойкостью и/или водостойкостью (в зависимости от назначения). Решение задачи обеспечения соответствия показателей качества плит строительного назначения современным требованиям нормативной документации является одним из условий возможности возобновления использования ДСтП в строительстве.
Данная диссертационная работа решает вопросы получения древесно-стружечных плитных материалов пониженной токсичности с заданным комплексом эксплуатационных свойств, это обуславливает ее актуальность.
Состояние и степень проработанности темы. Анализ источников в области материалов для строительства показал наличие большого внимания к вопросам использования древесных композитов в строительстве. Вопросами гидрофобизации и повышения огнестойкости древесных материалов занимались Е. Н Покровская, А.А. Эльберт, М. В. Цветков, Ю. Г. Доронин, Н. Е. Николаев и др. Вопросами применения древесно-стружечных плит в строительстве занимались российские ученые: Е.Д. Белоусов, В.Я. Далматов, В.М. Назаров, И.Г. Корчаго, В.М. Хрулев, А.А. Титунин, А.С. Фрейдин, И.Т. Матюшин, М.Г. Мальцев, В.В. Кислый, и др., а также зарубежные исследователи: Э. Хаббард, Т. Мелони, Я. Чижек, В. Клаудиц, Г. Раквиц и др.
Разработка технологии изготовления плит специального назначения для строительства (в био-, атмосферо- и огнестойком исполнении) относится к стратегическим направлениям развития и реализации научно-технической политики в области плитных материалов. Тормозит развитие этого направления высокая эмиссия свободного формальдегида из ДСтП.
Способы решения проблемы снижения токсичности плитных материалов разрабатывались в исследованиях российских ученых: А.Е. Анохина, Ю.Г. Доронина, И.Т. Матюшина, В.П. Кондратьева, Г.С. Варанкиной, А.В. Высоцкого, С.С. Глазкова, В.С. Болдырева, Н.Е. Николаева, В.Г. Белопуховой, С.А. Кротовой и др. Эту проблему решают и зарубежные ученые: Э. Роффаэль, М. Чафер, В. Ванг, Д. Гарднер, М. Бауман и др. Однако решение вопроса снижения токсичности плит, как правило, приводит к их удорожанию.
Технологическим, техническим и экологическим проблемам российского производства строительных плитных композитов уделяется большое внимание в исследованиях ученых. Однако в известных работах задачи совершенствования способов управления показателями, состава и принципов производства ДСтП строительного назначения не решаются системно. Именно это и определило выбор темы данной диссертационной работы.
Объект исследования – плитные строительные материалы из измельченной древесины.
Предмет исследования – экологически безопасные древесно-стружечные композиты строительного назначения.
Цель работы – системная разработка состава и принципов производства древесно-стружечных композитов для строительства с необходимым комплексом эксплуатационных показателей.
Задачи работы:
- Провести системный анализ проблем использования отечественных ДСтП в строительстве;
- Разработать теоретическое обоснование управления показателями древесно-стружечных композитов для строительства;
- Выполнить экспериментальное обоснование для производства ДСтП повышенной водостойкости строительного назначения;
- Выполнить экспериментальное обоснование состава и принципов производства древесно-стружечных композитов повышенной огнестойкости;
- Провести экспериментальное обоснование замены хлорсодержащего отвердителя карбамидоформальдегидных смол для древесно-стружечных плитных материалов на более экологически безопасные отвердители;
- Разработать способы снижения выделения свободного формальдегида для обеспечения экологичности древесно-стружечных композитов;
- Осуществить практическую апробацию основных результатов диссертационного исследования на предприятии по производству ДСтП.
Методологической основой работы служат методы системного анализа, регрессионного анализа, дисперсионного анализа и математической статистики.
Информационная база исследования включает источники в виде монографической литературы, публикаций в периодической печати, экспресс- и реферативной информации, научных докладов, материалов научных конференций, web-сайтов Интернета.
В основу диссертации положены результаты собственных теоретических и экспериментальных исследований и расчетов.
Научная новизна работы заключается в системном обосновании решения проблемы российского производства древесно-стружечных композитов для строительства на основе комплексного решения задач обеспечения необходимых эксплуатационных показателей. Имеют научную новизну следующие результаты диссертационной работы:
- Для специальных древесно-стружечных плит на фенолоформальдегидном связующем разработаны регрессионные математические модели зависимости разбухания по толщине и прочности при статическом изгибе от удельной продолжительности прессования, плотности и нормы расхода связующего. Обоснованы рекомендации по производству древесно-стружечных композитов повышенной водостойкости, позволяющие сократить продолжительность прессования до 0,375 мин/мм толщины, отличающиеся от известных способов отсутствием модифицирующих добавок.
- Теоретически и экспериментально обоснован способ внесения фосфатных добавок – алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) и полифосфатов аммония (ПФА) на стадии осмоления стружки, позволяющий создать более термо- и гидролитически устойчивые композиты.
- Разработана модель отвержденного связующего с добавкой АБФК, отличающаяся видом поперечных связей пространственной сетки, объясняющая улучшение эксплуатационных показателей композитов.
- Разработаны регрессионные математические модели зависимости прочности и потери массы при горении, позволяющие управлять показателями плит путем варьирования продолжительности прессования и добавки ПФА на стадии осмоления стружки.
- Разработаны регрессионные математические модели выделения свободного формальдегида и прочности при статическом изгибе древесно-стружечных композитов от удельной продолжительности прессования, температуры и доли добавки АБФК и ПФА на стадии осмоления стружки, позволяющие управлять показателями прочности плит и эмиссии формальдегида.
- Разработаны рекомендации по значению технологических факторов процесса производства плит на карбамидоформальдегидном связующем с добавкой АБФК с эмиссией свободного формальдегида менее 8 мг/100 г абсолютно сухой плиты, что соответствует требованиям российской и европейской нормативной документации.
Практическая значимость работы заключается в разработке технологических рекомендаций для производства древесно-стружечных композитов строительного назначения с необходимыми эксплуатационными показателями. Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на ОАО «Фанплит», г. Кострома.
Теоретические положения производства древесно-стружечных композитов и результаты экспериментальных исследований диссертационной работы используются в процессе преподавания и изучения учебных курсов «Технология композиционных материалов», «Технология полимеров», «Технология клееных материалов и древесных плит», «Основы строительного дела». Основные положения работы нашли отражение в ходе выполнения госбюджетных работ 5.7 – БФ – 04, 4.7 – БФ – 07 «Использование ресурсосберегающих технологий в производстве древесных композитов».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на международных научно-технических конференциях, проходивших в КГТУ, г. Кострома в 2002, 2004 гг.; на всероссийских научно-технических конференциях в ВоГТУ, г. Вологда, 2004, 2007 гг.; на всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов в УГЛТУ, г. Екатеринбург, 2005 г.; на международных научно-технических конференциях в БГТА, г. Брянск, 2006, 2007 гг.; на научно-практической конференции в ДВГТУ, г. Владивосток, 2007; международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленного региона» (Кострома, КГТУ, 2006, 2008 г.г.), на расширенном заседании кафедры производства строительных материалов ИГАСУ, 2009 г.
Публикации. Список публикаций автора по теме диссертационного исследования включает 14 работ общим объемом 3,09 п.л., в том числе монографию объемом 0,8 п.л. и 2 статьи объемом 0,8 п.л. в журналах, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, содержащих 156 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 48 таблиц, заключения, библиографического списка, а также 12 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта научная новизна работы, ее значимость для науки и практики. Приведены основные положения, выносимые на защиту, содержатся данные о месте проведения и апробации работы, структуре и объеме диссертации.
В первой главе проведен анализ состояния теории и практики производства и проблем использования ДСтП в строительстве. Во второй половине ХХ века в нашей стране ДСтП использовались в строительстве, однако при этом не всегда достигался положительный эффект. Из-за случаев коробления, разбухания плит по кромкам, отслоения отделочного слоя была отмечена необходимость повышения водостойкости плит для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик. Широко использовались в нашей стране ДСтП для устройства перегородок и обшивки стен. В условиях эксплуатации внутри помещения ДСтП имеют коэффициент теплопроводности (0, 06…0,11) Вт/м*К. Однако при использовании для данных целей ДСтП общего назначения не учитывалось то, что при повышении влажности плиты коэффициент ее теплопроводности резко возрастает. Для отделочных работ необходимо применять плиты повышенной водостойкости.
Требования безопасности диктуют также необходимость придания плитным материалам повышенной огнестойкости и снижения эмиссии свободного формальдегида.
Одной из основных проблем, ограничивающих применение ДСтП в строительстве, является отсутствие системного подхода к разработке этих материалов. Необходимо решение следующих задач:
- совершенствование способов управления показателями древесно-стружечных плит строительного назначения;
- повышение экологической безопасности древесно-стружечных плитных строительных материалов и обеспечение соответствия выделения свободного формальдегида из них европейским требованиям к классу эмиссии Е1;
- использование плитных материалов, изготовленных без применения хлорсодержащих отвердителей (имеющих, предположительно, канцерогенное действие).
Во второй главе рассмотрены теоретические основы отверждения фенолоформальдегидного связующего. Выдвинуто предположение о том, что причиной низкой водостойкости плит на фенолоформальдегидном связующем, ранее производимых в нашей стране, является малая доля резитов, т. е. недостаточная степень поликонденсации связующего. Для разработки плит повышенной водостойкости на фенолоформальдегидном связующем необходимо экспериментальное исследование с учетом взаимосвязей в системе технологических факторов.
Представлено теоретическое обоснование повышения прочности и снижение эмиссии свободного формальдегида ДСтП на карбамидоформальдегидном связующем при внесении фосфатных добавок на стадии осмоления стружки. Особенности механизма поликонденсации и пространственной структуры смолы обуславливают свойства плит, изготовленных на ее основе. Увеличение прочности поперечных связей между цепями молекул и образование связей с целлюлозой древесины ведет к увеличению прочности клеевых прослоек, а, следовательно, и к увеличению прочности ДСтП, и к уменьшению выделения свободного формальдегида из готовой плиты. Структурная устойчивость системы «древесные частицы – отвержденное связующее» зависит от наименьшей частичной устойчивости (закон наименьших). Наименьшая устойчивость – у отвержденного связующего. Одно из возможных направлений снижения содержания свободного формальдегида в отвержденной смоле – это связывания его в ацетали при взаимодействии с целлюлозой древесины и увеличение стойкости связующего к кислотному гидролизу, причем при этом повышается водостойкость и прочность соединения.
Решением проблемы может быть применение эффективного катализатора отверждения связующего и реакции формальдегида с целлюлозой, который бы при этом связывал формальдегид смолы, создавая связи с целлюлозой древесины и увеличивая густоту сетки между молекулами отвержденного связующего. В данной работе предлагается использовать на стадии осмоления стружки фосфатные добавки – алюмоборфосфат и полифосфаты аммония для более эффективного отверждения связующего и инициирования связей формальдегида с целлюлозой. В работе приведена модель структур, образующихся при отверждении карбамидоформальдегидной смолы с добавкой алюмоборфосфатного концентрата.
Взаимодействие алюмоборфосфата с карбамидоформальдегидной смолой увеличивает густоту пространственной сетки отвержденной смолы и усиливает поперечные связи в структуре. Комплексы, образованные АБФК, имеют большую гидролитическую устойчивость, в результате снижается выделение свободного формальдегида.
Во второй главе также представлена методика экспериментальных исследований. Рассматриваются направления исследований, определены цель и задачи экспериментальных исследований, последовательность проведения экспериментов и обработки их результатов. Приводятся характеристики используемых материалов, методов и средств измерения, применяемого оборудования и приборов.
В качестве связующего для экспериментальной разработки плит повышенной водостойкости использовалась смола фенолоформальдегидная СФЖ – 3014, соответствующая ГОСТ 20907-75. В качестве основы клеевой композиции для плит на карбамидоформальдегидном связующем использовалась смола КФН-54-П, соответствующая ТУ 2223-001-5747575-97. В качестве фосфатных добавок использовались: концентрат алюмоборфосфатный, ТУ 113-08-606-87; полифосфаты аммония, ТУ 2149-062-10964029-96.
Для проведения физико-механических испытаний плит использовались стандартные методики. Для определения эмиссии свободного формальдегида использовался баночный метод (WKI), который более чем перфораторный метод чувствителен в области малых значений формальдегида.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по разработке плит повышенной водостойкости на фенолоформальдегидном связующем. Исследования проводились согласно плану второго порядка В3. Варьировались факторы: удельная продолжительность прессования Х1, мин./мм; плотность плит Х2, кг/м3; норма расхода связующего в наружных слоях Х3, %. План эксперимента и статистическая обработка результатов определения выходных величин: У1 – разбухания плит по толщине за 24 часа, %, и У2 – прочности плит при статическом изгибе, МПа, представлены в таблице 1.
Регрессионные математические модели:
У1 = 16,371 + 3,2Х1 + 2,77Х2 – 3,71Х3 + 1,683Х12 – 1,667Х22 – 1,467Х32 + +2,013Х1Х2 (1)
У2 = 14,036 + 1,017Х1 + 2,507Х2 + 4,309Х3 3,097Х12 + 1,983Х32 0,442Х1Х2 + +0,752Х1Х3 + 1,083Х2Х3 (2)
Графики зависимости разбухания по толщине от варьируемых факторов представлены на рис. 1 – 3, прочности при статическом изгибе – на рис. 4 – 6.
Результаты эксперимента позволяют рекомендовать сочетание технологических факторов процесса производства ДСтП повышенной водостойкости в зависимости от назначения плитных материалов и требуемых показателей.
Таблица 1
План и статистическая обработка результатов исследования разбухания плит по толщине и прочности при статическом изгибе
| N | Х1 | Х2 | Х3 | Средние арифметические  | Дисперсии S21j | Средние арифметические  | Дисперсии S22j |
| 1 | + | + | + | 19,2 | 5,48 | 20,78 | 4,80 |
| 2 | - | + | + | 10,6 | 6,76 | 19,14 | 3,96 |
| 3 | + | - | + | 9,6 | 3,53 | 16,98 | 0,85 |
| 4 | - | - | + | 8,4 | 2,89 | 10,92 | 0,94 |
| 5 | + | + | - | 25,8 | 7,78 | 10,88 | 0,98 |
| 6 | - | + | - | 16,3 | 1,08 | 9,60 | 2,16 |
| 7 | + | - | - | 15,1 | 4,41 | 8,76 | 1,35 |
| 8 | - | - | - | 14,3 | 1,06 | 8,36 | 0,42 |
| 9 | + | 0 | 0 | 24,0 | 12,53 | 11,33 | 3,92 |
| 10 | - | 0 | 0 | 12,1 | 1,21 | 10,54 | 0,38 |
| 11 | 0 | + | 0 | 16,3 | 10,69 | 19,11 | 1,06 |
| 12 | 0 | - | 0 | 13,1 | 2,86 | 9,45 | 1,85 |
| 13 | 0 | 0 | + | 8,2 | 1,55 | 22,45 | 2,37 |
| 14 | 0 | 0 | - | 21,6 | 6,71 | 9,58 | 0,67 |
У1, %
Х1
(0,3) (0,45) (0,6) (, мин/мм)
Рис. 1. График зависимости разбухания по толщине (У1) от удельной
продолжительности прессования (Х1):
Х2 =1; Х3 =1; 
Х2 =-1; Х3 =-1; 
Х2 =1; Х3 =-1; 
Х2 =-1; Х3 =1
У1, %
Х2
(600) (700) (800) (, кг/м3)
Рис. 2. График зависимости разбухания по толщине (У1) от плотности
плиты (Х2):
Х1 =1; Х3 =1; 
Х1 =-1; Х3 =-1; 
Х1 =1; Х3 =-1; 
Х1 =-1; Х3 =1
У1, %
Х3
(11) (13) (15) (%)
Рис. 3. График зависимости разбухания по толщине (У1) от расхода
связующего в наружных слоях (Х3):
Х1 =1; Х2 =1; 
Х1 =-1; Х2 =-1; 
Х1 =1; Х2 =-1; 
Х1 =-1; Х2 =1
За рубежом ДСтП на фенолоформальдегидных связующих используются для наружной отделки домов. Влияние атмосферных условий ограничивается долговечность ДСтП. Для проверки эксплуатационных свойств разработанных плит использован метод циклических испытаний по ГОСТ 17580-72, предназначенный для оценки конструкционных строительных клеев для склеивания древесины, металлов и др. материалов.
В рамках исследования разработанных плит повышенной водостойкости проводились испытания контрольных образцов ДСтП общего назначения на карбамидоформальдегидном связующем. Проведено семь циклов испытаний, контрольные образцы разрушились во время третьего цикла.
Для образцов на фенолоформальдегидном связующем разбухание по толщине после цикла испытаний увеличилось на 3,5 %. Требование европейского стандарта EN 312 к конструкционным влагостойким ДСтП марки Р5 регламентирует увеличение разбухания после цикла не более 10 %.
У2, МПа
Х1
(0,3) (0,45) (0,6) (, мин/мм)
Рис. 4. График зависимости прочности плит при статическом изгибе (У2)
от удельной продолжительности прессования (Х1):
Х2 =1; Х3 =1; 
Х2 =-1; Х3 =-1; 
Х2 =1; Х3 =-1; 
Х2 =-1; Х3 =1
У2, МПа
Х2
(600) (700) (800) (, кг/м3)
Рис. 5. График зависимости прочности плит при статическом изгибе (У2)
от плотности плиты (Х2):
Х1 =1; Х3 =1; 
Х1 =-1; Х3 =-1; 
Х1 =1; Х3 =-1; 
Х1 =-1; Х3 =1
У2, МПа
Х3
(11) (13) (15) (%)
Рис. 6. График зависимости прочности плит при статическом изгибе (У2)
от расхода связующего в наружных слоях (Х3):
Х1 =1; Х2 =1; 
Х1 =-1; Х2 =-1; 
Х1 =1; Х2 =-1; 
Х1 =-1; Х2 =1
На основании исследований разработаны рекомендации по производству древесно-стружечных композитов повышенной водостойкости на фенолоформальдегидном связующем, предназначенных для использования при температурно-влажностных колебаниях.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований огнестойкости древесно-стружечных композитов. Традиционная технология изготовления огнезащищенных ДСтП включает дополнительную операцию – обработку сырых древесных частиц раствором антипирена. Введение антипиренов таким способом увеличивает расходы на сушку, усложняет технологический процесс производства и удорожает ДСтП. Введение в стружечную массу антипиренов совместно со связующим возможно только при отсутствии негативного влияния на процесс отверждения связующего.
В данной работе проведена экспериментальная проверка возможности использования фосфатных добавок и буры на стадии осмоления стружки для придания повышенной огнестойкости ДСтП, что позволяет исключить дополнительное усложнение технологического процесса производства плит.
Для исследования использован однофакторный дисперсионный анализ, варьируемым качественным фактором А является вид вносимой добавки. Статистическая обработка результатов эксперимента представлена в табл. 2.
Обработка результатов методом однофакторного дисперсионного анализа показала, что при введении добавок данным способом потеря массы при горении изменяется значимо, а прочность плит при статическом изгибе различается незначимо (подтверждено проверкой по критерию Стьюдента). Наилучшие результаты по снижению потери массы плит при горении дала добавка полифосфатов аммония.
Таблица 2
Результаты исследования добавок антипиренов на показатели плит
| Обозначения уровней фактора А | Потеря массы при горении, % | Прочность на растяжение, МПа | Прочность на статический изгиб, МПа | ||||
| Натураль ное | Кодиро ванное | Среднее арифмети ческое  | Дисперсия уровня  | Среднее арифмети ческое  | Дисперсия уровня  | Среднее арифмети ческое   | Дисперсия уровня  |
| Без добавок | а1 | 11,25 | 0,605 | 0,356 | 0,0123 | 17,02 | 9,37 |
| Бура | а2 | 10 | 5,78 | 0,391 | 0,0079 | 12,6 | 0,101 |
| АБФК | а3 | 5,65 | 0,245 | 0,587 | 0,0265 | 13,6 | 4,21 |
| ПФА | а4 | 0,95 | 0,125 | 0,242 | 0,003 | 11,9 | 2,31 |
На следующем этапе был проведен эксперимент по В-плану второго порядка для исследования влияния факторов процесса производства на показатели плит с добавкой ПФА. В эксперименте варьировались удельная продолжительность прессования Х1, мин/мм, и доля добавки ПФА Х2, %. Выходные величины: У1 – прочность плит при статическом изгибе, МПа; У2 – разбухание плит по толщине за 24 ч, %; У3 – потеря массы при горении, %. План и статистическая обработка результатов эксперимента приведены в табл. 3.
Таблица 3
План и результаты исследования показателей плит с добавкой ПФА
| N | X1 | X2 | – Y1j | S1j2 | – Y2j | S2j2 | – Y3j | S3j2 |
| 1 | + | + | 12,72 | 1,208 | 29,35 | 3,176 | 3,27 | 0,029 |
| 2 | - | + | 26,03 | 1,447 | 21,42 | 1,825 | 0,82 | 0,203 |
| 3 | + | - | 25,17 | 1,065 | 23,07 | 1,020 | 1,68 | 0,017 |
| 4 | - | - | 20,11 | 1,378 | 22,75 | 1,732 | 1,58 | 0,561 |
| 5 | + | 0 | 22,08 | 4,141 | 28,26 | 7,640 | 1,42 | 0,462 |
| 6 | - | 0 | 31,05 | 5,476 | 18,72 | 1,949 | 0,98 | 0,196 |
| 7 | 0 | + | 18,92 | 1,141 | 20,61 | 1,092 | 1,03 | 0,130 |
| 8 | 0 | - | 27,16 | 1,275 | 18,22 | 2,544 | 0,95 | 0,155 |
Получены регрессионные математические модели:
Y1 = 28,597 – 2,871Х1 – 2,462Х2 – 2,03212 – 5,557Х22 – 4,595Х1Х2 (3)
Y2= 18,758 + 2,966Х1 + 1,224Х2 + 4,732Х12 + 0,658Х22 + 1,902Х1Х2 (4)
Y3 = –0,1 + 0,662Х1 + 0,152Х2 + 0,848Х12 + 0,757Х22 + 0,548Х1Х2 (5)
При минимальной доле добавки ПФА прочность плит при статическом изгибе возрастает при увеличении удельной продолжительности прессования. Причиной повышения прочности является углубление степени поликонденсации связующего. После достижения максимума прочность начинает несколько снижаться, преобладающими становятся явления термодеструкции связующего.
При максимальной доле добавки ПФА прочность плиты резко снижается с увеличением удельной продолжительности прессования. ПФА имеют высокую активность и значительно ускоряют реакцию поликонденсации связующего, деструктивные явления начинаются быстрее. При всех значениях доли добавки ПФА потеря массы при горении не превышает 3,6 %, т. е. фосфатная добавка, вносимая на стадии осмоления стружки, значимо (подтверждено проверкой по критерию Стьюдента) влияет на огнестойкость плит.
Интерпретация результатов эксперимента подтвердила теоретическое заключение об участии фосфатных добавок, вносимых на стадии осмоления стружки, в создании структур, упрочняющих связи внутри полимера и связи полимера с древесными частицами.
Данный способ внесения фосфатных добавок повышает устойчивость поперечных связей отвержденного связующего, следовательно, он дает возможность снижения токсичности древесно-стружечных композитов.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния фосфатных добавок (АБФК и ПФА), вносимых на стадии осмоления стружки, на прочность плит и выделение свободного формальдегида.
Были получены регрессионные модели зависимости выходных величин – прочности плит при статическом изгибе (У1), МПа, и содержания свободного формальдегида (У2), мг/100 г абсолютно сухой плиты, от основных технологических факторов процесса производства – удельной продолжительности прессования (Х1), мин/мм, температуры плит пресса (Х2), °С, и доли фосфатной добавки (Х3), %. Модели в кодированных обозначениях факторов:
- в эксперименте с АБФК
Y1 = 19,48 + 1,63 X1 - 1,35X12 – 1,78X22 – 1,545X32 – 0,81 X2X3 (6)
Y2 = 10,51 - 1,575 X1 – 0,77X3 – 3,41X12 + 4,66X22 – 2,6X32 –0,535X1X2 +
+ 1,67X1X3 (7)
- в эксперименте с ПФА
Y1 = 13,04 + 0,65 X1 + 2,55X12 – 0,61X32 +0,665 X2X3 (8)
Y2 = 10,203 – 0,527 X1 – 3,215X12 + 5,445X22 – 3,02X32 – 1,497X1X2 +
+ 1,505X1X3 – 0,995X2X3 (9)
Графики зависимости содержания свободного формальдегида от варьируемых факторов (для плит с добавкой АБФК) представлены на рис.7 – 9.
При увеличении удельной продолжительности прессования выделение свободного формальдегида сначала возрастает до максимума, затем уменьшается при всех сочетаниях технологических факторов. Это объясняется тем, что с течением времени начинает работать фактор выделения формальдегида из самой древесины.
Влияние температуры прессования на токсичность готовых плит неоднозначно. Для всех сочетаний технологических факторов минимальное выделение формальдегида находится в центре диапазона варьирования температуры. Затем выделение формальдегида начинает увеличиваться. При увеличении температуры прессования ускоряется процесс поликонденсации, связывается большее количество формальдегида, уменьшается его выделение из готовой плиты.
При дальнейшем увеличении температуры прессования начинают преобладать процессы термодеструкции, некоторые сформировавшиеся связи разрушаются, выделение формальдегида увеличивается.
Знание закономерностей взаимодействия факторов процесса производства дает возможность управления физико-химическими процессами структурообразования древесно-стружечных композитов и позволяет обеспечить их требуемые эксплуатационные свойства.
У2, МПа
Х1
(0,2) (0,3) (0,4) (, мин/мм)
Рис. 7. Зависимость выделения формальдегида из ДСтП от
продолжительности прессования:
Х2 =1; Х3 =1; 
Х2 =-1; Х3 =-1; 
Х2 =1; Х3 =-1; 
Х2 =-1; Х3 =1
У2, МПа
Х2
(170) (180) (190) (Т, °С)
Рис. 8. Зависимость выделения формальдегида от температуры
прессования:
Х1 =1; Х3 =1; 
Х1 =-1; Х3 =-1; 
Х1 =1; Х3 =-1; 
Х1 =-1; Х3 =1
У2, МПа
Х3
(2,5) (3,75) (5) (%)
Рис. 9. Зависимость выделения формальдегида от добавки АБФК в
наружные слои:
Х1 =1; Х2 =1; 
Х1 =-1; Х2 =-1; 
Х1 =1; Х2 =-1; 
Х1 =-1; Х2 =1;
В шестой главе представлено технико-экономическое обоснование целесообразности изготовления древесно-стружечных композитов на основе карбамидоформальдегидного связующего с добавкой АБФК, вносимой на стадии осмоления стружки. Экономический эффект, выраженный в условной годовой экономии, от выпуска древесностружечных композитов пониженной токсичности, составит 17,4 млн. руб. для предприятия по выпуску ДСтП с годовой производственной программой около 100 000 м3 продукции (в сравнении с выпуском плит общего назначения).
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. На основе системного анализа проблем использования ДСтП в строительстве установлено, что причинами ограничения применения древесно-стружечных композитов в строительстве являются высокий уровень эмиссии свободного формальдегида из плит и их несоответствие требованиям к эксплуатационным свойствам строительных материалов.
2. В работе теоретически обоснована возможность управления эксплуатационными показателями ДСтП строительного назначения.
3. Разработаны технологические рекомендации для производства плит повышенной водостойкости на фенолоформальдегидном связующем: удельная продолжительность прессования 0,375 мин/мм; плотность плит 800 кг/м3; расход связующего в наружных слоях 15 % от веса абсолютно сухой стружки. Возможность эксплуатации разработанных плитных материалов в условиях переменных температурно-влажностных колебаний подтверждена в ходе циклических испытаний.
4. Экспериментально обосновано повышение огнестойкости плит при внесении фосфатных добавок на стадии осмоления стружки.
5. Разработаны регрессионные модели зависимости потери массы при горении, прочности на статический изгиб и разбухания плит от удельной продолжительности прессования и доли добавки на стадии осмоления стружки ПФА, позволяющие управлять эксплуатационными свойствами древесно-стружечных композитов.
6. Для снижения токсичности отечественных древесно-стружечных плитных материалов предложено использовать карбамидное связующее с фосфатной добавкой, вносимой на стадии осмоления стружки. Разработаны регрессионные модели зависимости прочности плит при статическом изгибе и выделения свободного формальдегида из плит с данными добавками, позволившие разработать рекомендации для получения композитов с заданными свойствами.
7. Использование способа внесения АБФК на стадии осмоления стружки позволяет получать плитные материалы с эмиссией свободного формальдегида, соответствующей европейским требованиям, что необходимо для использования древесно-стружечных композитов в строительстве.
8. Оценка экономической эффективности выпуска плит с эмиссией свободного формальдегида не более 8 мг/100 г абсолютно сухой плиты подтвердила возможность получения экономического эффекта от производства древесностружечных плитных материалов строительного назначения, соответствующих европейским требованиям к классу эмиссии Е1.
9. Разработаны технологические рекомендации для производства плит пониженной токсичности на карбамидоформальдегидном связующем: удельная продолжительность прессования 0,2 мин/мм; температура прессования 180 °С; доля добавки АБФК в наружные слои 5 % раствора 5-процентной концентрации, во внутренний слой – 10 % раствора 10-процентной концентрации.
10. Практическая апробация основных результатов диссертационного исследования на предприятии по производству ДСтП – ОАО «Фанплит», г. Кострома, подтвердила целесообразность разработанных в диссертационном исследовании предложений по выпуску древесно-стружечных композитов пониженной токсичности.
Публикации по материалам диссертации:
Монографии
1. Титунин А. А. Эколого-экономические аспекты безотходных технологий переработки лесных ресурсов: монография / А. А. Титунин, В. М. Каравайков, Т. Н. Вахнина. – М.: Изд-во «Новые технологии», 2007. – 70 с. 2,94/0,8 п. л.
Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК
2. Вахнина Т.Н. Формирование свойств древесных плитных материалов для использования в строительных конструкциях // Строительные материалы, 2009, № 6. – С. 10 – 12. 0,4 п. л.
3. Титунин А. А. Проблемы использования древесных материалов в строительстве / А.А. Титунин, Т.Н. Вахнина, В.М. Каравайков // Жилищное строительство, 2009, № 7. – С. 10 – 12. 0,4/0,2 п. л.
Статьи в сборниках научных трудов и тезисы докладов на международных и всероссийских конференциях
4. Вахнина Т. Н. Научные и организационно-технические аспекты функционирования системы управления качеством продукции / Т.Н. Вахнина, А.А. Титунин, А.А. Белихин // Деревообрабатывающая промышленность, 2007, № 1. – С. 16 – 19. 0,4/0,15 п. л.
5. Вахнина Т. Н. Системный подход к организации производства древесностружечных плит / Т. Н. Вахнина, В. М. Каравайков // Вестник Костромского государственного университета им. Н.А.Некрасова. Системный анализ. Теория и практика. – Кострома, 2007, №1 (Том 13). – С. 31 – 35. 0,3/0,25 п. л.
6. Вахнина Т. Н. Совершенствование организации производства низкотоксичных древесностружечных плит / Т. Н. Вахнина // Материалы международной научно-технической конференции. 4 – 6 декабря 2007 г. – Вологда: ВГТУ, 2008. – С. 0,31 п. л.
7. Вахнина Т. Н. Производство древесностружечных плит для строительства / Т. Н. Вахнина // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития». Часть 2. – Брянск: БГИТА, 2008. – С. 83 – 84. 0,2 п. л.
8. Вахнина Т. Н. Токсичность плит с персульфатом аммония / Т.Н. Вахнина, Е.А. Александрова // Материалы 60-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ – производству». – Кострома: КГТУ, 2008. – С. 90.
9. Вахнина Т. Н. Исследование показателей плит с добавкой парафиновой эмульсии / Т.Н. Вахнина, А. Н. Трофименко, // Материалы 60-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ – производству». – Кострома: КГТУ, 2008. – С. 121.
10. Вахнина Т. Н. Производство древесностружечных плит повышенной водостойкости / Т. Н. Вахнина, Н. С. Миничева // Студенты и молодые ученые КГТУ – производству: Материалы 57-ой межвузовской научно-технической конференции ученых и студентов. – Кострома: КГТУ, 2004. – С. 107. 0,03/0,02 п. л.
11. Вахнина Т. Н. Повышение огнестойкости древесностружечных плит / Т. Н. Вахнина // Вестник Костромского государственного технологического университета. – Кострома: КГТУ, 2007. – №15. – С. 113 – 115. 0,19 п. л.
12. Вахнина Т. Н. Интенсификация производства древесностружечных плит / Т. Н. Вахнина, М. И. Затор // Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 18. – Брянск: БГИТА, 2007. – С. 83 – 84. 0,12/0,06 п. л.
13. Вахнина Т. Н. Производство древесностружечных плит для строительства / Т. Н. Вахнина // Материалы 9-й международной Интернет-конференции. – Брянск: БГИТА, 2008. – С. 83 – 84. 0,2 п. л.
14. Вахнина Т. Н. Применение древесностружечных плит в строительстве / Т. Н. Вахнина // Материалы международной научно-технической конференции. – Вологда: ВГТУ, 2009. – С. 70 – 72. 0,25 п. л.
