Формирование древесных материалов на основе измельчённой древесины и костры льна
На правах рукописи
КОЖЕВНИКОВ Дмитрий Александрович
ФОРМИРОВАНИЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ ИЗМЕЛЬЧЁННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
И КОСТРЫ ЛЬНА
05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование
деревопереработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2013
Диссертационная работа выполнена на кафедре механической технологии древесины ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет».
Научный руководитель: Угрюмов Сергей Алексеевич,
доктор технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Цой Юрий Иванович,
доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский
государственный лесотехнический
университет»
Штембах Анатолий Паулович,
кандидат технических наук, доцент,
ООО «ФАЭТОН», г. Санкт-Петербург
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный
университет леса»
Защита диссертации состоится 19 июня 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С.М. Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТУ.
Автореферат разослан «10 » мая 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного Совета Алексей Романович Бирман
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Перспективой развития и совершенствования производства древесно-стружечных плит является выпуск конкурентоспособной продукции c высокими физико-механическими характеристикам, широкого ассортимента и в объемах, обеспечивающих потребности внутреннего рынка России, а также экспорта продукции. Это направление в полной мере соответствует государственной политике РФ во внешнеэкономической сфере в связи со вступлением в ВТО и является основным направлением развития отечественной промышленности.
Основой повышения эффективности производства древесно-стружечных плит является развитие ресурсосберегающих технологий, предусматривающих использование всевозможных древесных отходов, а также одревесневших отходов перерабатывающих производств сельского хозяйства. Отходы переработки сельскохозяйственных культур (в частности, костра льна) являются доступным и дешевым сырьем для производства древесных плит конструкционного назначения высокого качества. Костра льна, ежегодно образующаяся в больших объемах на льноперерабатывающих заводах, не находит эффективного применения. Как правило, она сжигается для производства теплоэнергии или вывозится на поля запахивания для естественного перегнивания. В то же время на государственном уровне проблемам углубленной переработки льна и эффективной утилизации отходов льнопроизводства уделяется серьезное внимание. В соответствии с Основами политики РФ в области развития науки и технологий глубокая переработка льна и отходов льнопереработки входит самостоятельным блоком в Перечень «критических технологий» – области отечественных технологических разработок, на реализацию которых должна быть сделана основная ставка отечественных государственных и частных инвесторов.
Основными причинами ограниченного использования костры льна в производстве древесно-стружечных плит являются следующие факторы: отсутствие специализированных предприятий по их переработке, нерациональное расположение и разбросанность источников образования отходов и, главным образом, сложность равномерного осмоления частиц костры синтетическими клеями, так как костра льна имеет меньшее поверхностное натяжение по сравнению с древесиной. В этой связи свойства плит, изготовленных с применением костры льна, уступают древесно-стружечным плитам.
Для обоснованной рекомендации технических и технологических мероприятий по производству древесных плит с использованием костры необходим научный подход к проблеме формирования клеевых соединений частиц наполнителя со связующим, базирующийся на анализе существующих теорий адгезии. В настоящее время отсутствует теоретическое обоснование создания клеевых соединений применительно к производству древесных плит с использованием костры льна. Поэтому развитие теории и практики склеивания древесных плит с использованием костры льна с разработкой рецептур модифицированных клеевых составов, применяемых для качественного осмоления частиц костры, является актуальной научной задачей, что и определило выбор темы диссертации.
Цель работы. Повышение эффективности производства стружечных плит из измельчённой древесины и костры льна на модифицированном связующем.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, отражающие логику данного исследования:
- Обоснование основных закономерностей явлений смачивания, адгезии и формирования клеевых соединений в структуре плит на основе целлюлозосодержащих наполнителей с применением клеевых составов на основе синтетических олигомеров.
- Экспериментальная оценка термодинамических свойств клеевых композиций и их влияние на процесс склеивания древесных частиц и костры льна.
- Обоснование рецептур модифицированных клеевых композиций, обеспечивающих улучшение смачивания и равномерное осмоление частиц костры, высокие адгезионные свойства и качество готовой продукции. Разработка практических рекомендаций по повышению смачивающей способности традиционных синтетических олигомеров по отношению к костре льна и направленному изменению физико-химических свойств клеевых композиций.
- Разработка технологии производства плитных материалов на основе совмещенных наполнителей и модифицированных клеевых составов, технико-экономическое обоснование предлагаемых технических решений.
Научной новизной обладают:
- Теоретические закономерности явлений смачивания и адгезионного взаимодействия применительно к производству плит на основе древесных частиц, костры льна и модифицированных клеевых составов.
- Доказательство повышения смачивающей способности синтетических олигомеров путем их модификации простыми спиртами.
- Обоснование рецептуры клеевых композиций обеспечивающих требуемую смачиваемость с использованием традиционных синтетических олигомеров, модифицированных спиртами.
- Математико-статистические модели процесса склеивания, описывающие свойства клеевой композиции, позволяющие оптимизировать режимы прессования древесных материалов на основе измельчённой древесины и костры льна.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями и корректными допущениями при разработке математических моделей; современными средствами научного проникновения, включая теорию адгезии; методами и средствами экспериментальных исследований, включая микрометрию, тензометрию жидкостей; подтверждением адекватности разработанных моделей результатам испытаний, успешным внедрением разработок в производство.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные уравнения работы адгезии позволяют определить рациональное количество модификаторов, вводимых в клеевые составы, для обеспечения требуемого смачивания частиц костры льна при формировании плитных материалов. Разработанные математические модели влияния основных технологических факторов на физико-механические свойства плит на основе древесных частиц и костры льна позволяют развить теорию производства древесных плит.
Теоретические положения производства древесных плит на основе древесных частиц, костры льна и модифицированных клеев, результаты экспериментальных исследований, полученные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология композиционных материалов», «Технология и применение полимеров в деревообработке».
Практическая значимость заключается в разработке ресурсосберегающей технологии производства новых плитных древесных материалов, позволяющей повысить качество и конкурентоспособность продукции из этих материалов. При этом использование отходов деревообработки и первичной переработки льна приводит к повышению экономической эффективности деревообрабатывающей, а также текстильной (льняной) отраслей промышленности.
Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на ОАО «Фанплит», г. Кострома, проектные решения приняты к использованию в проектной практике ООО «Костромалеспроект».
Методологические основы и методы исследования. Теоретической основой исследования является молекулярно-адсорбционная теория адгезии.
Исследования основывались на принципах системного подхода с использованием обоснованных методов и методик научного поиска.
Инструменты, приборы и установки, выбранные для экспериментов, соответствовали по точности современным требованиям.
Информационную базу исследования составляют материалы научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, сведения из сети Интернет.
Положения, выносимые на защиту: Основные научные положения, выносимые на защиту можно классифицировать как научно обоснованные технические, технологические и организационные решения, направленные на разработку ресурсосберегающей технологии создания древесных плит из измельченной древесины и костры льна на основе модифицированных клеевых составов. Внедрение этих положений вносит значительный вклад в решение проблем функционирования и развития организации производства древесных плит, а также повышения конкурентоспособности продукции.
Указанные положения включают:
1. Теоретические закономерности явлений смачивания, адгезии, формирования клеевых соединений в структуре древесно-стружечных плит с применением костры льна на основе модифицированных клеевых составов.
2. Теоретические и практические результаты исследований, направленных на повышение способности синтетических олигомеров смачивать поверхность костры льна.
3. Результаты исследований термодинамических явлений и их влияния на процесс склеивания древесных частиц и костры льна клеевыми составами на основе синтетических олигомеров.
4. Результаты исследований по модификации синтетических олигомеров применительно к производству плитных материалов с применением костры льна, оценке свойств готовой продукции.
5. Технологию и технико-экономическое обоснование производства стружечных плит из измельченной древесины и костры льна на основе модифицированных клеевых составов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы лесного комплекса», г. Вологда, 2009 г.; «Научному прогрессу – творчество молодых», г. Йошкар-Ола, МарГТУ, 2010 г.; «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона», г. Кострома, 2010, 2012 гг.; «Актуальные проблемы лесного комплекса», г. Брянск, 2011 г., «Материаловедение, наноматериалы, технологии новых материалов» г. Москва, 2009 г., а также на региональных и межвузовских научно-технических конференциях.
Публикации. По теме работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 104 наименований, содержит 156 страниц текста, 54 рисунка, 37 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта научная новизна работы, её практическая и научная значимость. Содержатся сведения о структуре и объёме диссертации.
Первый раздел. «Анализ состояния вопроса производства плит на основе измельчённой древесины и костры льна» посвящён анализу современного состояния и перспективам развития производства древесно-стружечных плит, в результате было установлено, что развитие производства плитных материалов возможно при максимальном использовании всех возможных отходов, в том числе отходов сельскохозяйственного производства. Эффективным наполнителем стружечных плит является костра льна, что объясняется рядом ее положительных анатомических, химических и размерно-качественных свойств.
Актуальность использования костры в производстве плитных материалов обусловлена тем, что в настоящее время наблюдается значительный рост производства и переработки льна, особенно в Центральном регионе, что в свою очередь обусловлено повышенным интересом к производству льняных тканей и одежды, обладающей высокими экологическими и гигиеническими свойствами.
Однако клееные материалы, изготовленные на основе костры льна по технологии производства традиционных клееных древесных материалов, имеют недостаточные физико-механические характеристики. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что прочность костроплит при изгибе меньше прочности аналогично произведенных ДСтП на 20–30%, разбухание по толщине и водопоглощение выше примерно в 2 раза.
Улучшение качественных показателей клееных материалов, произведенных с применением как древесных наполнителей, так и костры, невозможно без модифицирования или создания новых клеевых композиций, обеспечивающих полное и равномерное смачивание частиц наполнителя. Правильный выбор модификатора – хорошо совмещающегося со смолой, дешевого, а также имеющего высокую эластичность, позволит получить клеи требуемой прочности и долговечности, на основе которых возможен выпуск качественных плитных материалов.
Теоретическими вопросами смачивания, адгезии и формирования клеевых соединений занимались российские и зарубежные ученые: А. Адамсон, В.Е. Басин, А.А. Берлин, С. Грег, Б.В. Дерягин, А.Д. Зимон, В.Д. Кузнецов, Ю.Г. Фролов, А.А. Лопаткин, Р.Р. Майерс, В.Е. Цветков, В.И. Азаров, В.А. Баженов, В.А. Васильев, С.П. Исаев, А.А. Леонович, А.Н. Михайлов, А.Н. Чубинский и другие.
Многочисленные теории и концепции, которые рассмотрены в работах указанных авторов, касаются, главным образом, фундаментальных вопросов адгезии, а также практических вопросов повышения смачивающей способности клеев по отношению к древесине. Вопросы повышения адгезии клеев применительно к костре льна и совмещенным наполнителям не достаточно изучены. Поэтому использование указанных теоретических положений в области производства плитных материалов на основе измельченной древесины и костры льна с разработкой рекомендаций по модификации клеевых составов является важной и актуальной задачей.
Во втором разделе «Методические положения» представлены характеристики используемых материалов, методов проведения экспериментов и их обработки, применяемого оборудования и приборов, методов и средств измерения.
Определение поверхностного натяжения модифицированных клеевых композиций осуществлялось с использованием тензиометра К6 фирмы KRUSS.
Для исследования смачиваемой способности поверхности костры льна модифицированными адгезивами была разработана методика подготовки её поверхности, позволяющая получать гладкую плоскую поверхность субстрата костры.
Краевые углы смачивания исследуемых карбамидо- и фенолформальдегидных адгезивов во взаимодействии с субстратами берёзы, сосны и костры льна исследовали с помощью установки для определения размеров и формы капли адгезива на базе микроскопа МБС-10.
Изготовление образцов плитных материалов проводилось на лабораторном прессе П100-40. Физико-механические испытания древесных плит проводились по стандартным методикам.
Полученные экспериментальные данные одно- и многофакторных экспериментов обрабатывали методами математической статистики.
В третьем разделе «Оценка эффективности модифицирования синтетических олигомеров спиртами применительно к производству древесно-стружечных плит» рассмотрены теоретические предпосылки повышения смачивающей способности и работы адгезии клеевых составов; экспериментально определены величины поверхностного натяжения адгезивов (в том числе модифицированных), используемых в производстве плитных материалов; экспериментально оценена смачивающая способность модифицированных клеевых композиций по отношению к костре льна и древесным наполнителям; определена работа адгезии модифицированных клеевых составов; определено рациональное количество спиртов, вводимых в клей, для обеспечения максимальной работы адгезии.
Явление смачивания связано с соотношением поверхностных энергий адгезива и субстрата. Смачивание адгезивом поверхности субстрата будет происходить при условии, что поверхностная энергия и поверхностное натяжение твердого тела будут больше поверхностной энергии и поверхностного натяжения жидкости, соприкасающейся с ним. При этом для достижения высокой адгезии необходимо, чтобы поверхностное натяжение жидкости имело большие значения, то есть должны обеспечиваться условия
субстрат > адгезив, (1)
субстрат > адгезив. (2)
Таким образом, практические вопросы адгезионной прочности в структуре плитных материалов решаются только с учетом соотношений поверхностных натяжений адгезива и субстрата.
Важной характеристикой взаимодействия на границе раздела жидкость – твердое тело является работа адгезии, чаще всего характеризующая взаимодействие жидкости с твердой поверхностью.
Адгезия жидкости к твердому телу может быть описана уравнением Дюпре, определяющим работу по замене поверхности твердое тело – жидкость на поверхность твердое тело – пар и жидкость – пар, то есть обратимую работу адгезии
WА =т + ж– тж, (3)
Преобразовав данное уравнение с учётом равенства Юнга (4) и коэффициента пропорциональности b, получим выражение для расчёта работы адгезии жидкости (5):
WА = ж(1 + cos ), (4)
Wа = ж(2 + b·кр) – b·ж2. (5)
Коэффициент b учитывает влияние посторонних факторов и определяется как абсолютное значение коэффициента уравнения прямых графических зависимостей cos=f(ж), построенных по значениям для модифицированных составов на участках, описание которых возможно в виде прямых зависимостей.
Зависимость (5) представляет собой уравнение параболы, вершина которой находится при следующем значении поверхностного натяжения адгезива
ж =1/b + 0,5·кр, (6)
При этом максимальную работу адгезии можно определить по формуле:
Wа max = 1/b+ кр + 0,25·b·кр2. (7)
Данные теоретические предпосылки были использованы для оценки поверхностного натяжения клеевых составов на основе синтетических олигомеров, модифицированных спиртами, оценки работы адгезии и определения рационального количества модификаторов клеевых составов для обеспечения полного смачивания древесных наполнителей и костры льна и обеспечения максимальной работы адгезии.
В экспериментальной части работы при определении поверхностного натяжения исследовались карбамидоформальдегидная смола марки КФН-66 и фенолформальдегидная смола марки СФЖ-3014, а также указанные смолы, модифицированные на стадии смешивания компонентов клея различными спиртами (этиловым, изопропиловым, бутиловым, изоамиловым, гептиловым) для уменьшения их поверхностного натяжения, а также для проведения оценки использования наиболее эффективного спирта в качестве модифицирующей добавки.
Графические зависимости влияния количества модификаторов на поверхностное натяжение исследуемых адгезивов представлены на рис. 1.
Результаты экспериментов показали, что введение в синтетическую смолу простых спиртов, таких как этиловый, изопропиловый, бутиловый, изоамиловый и гептиловый спирты, способствует снижению её поверхностного натяжения, что должно положительно отразиться на процессе смачивания ей костры льна.
Внешний вид исследуемых капель адгезива, модифицированного бутиловым спиртом, представлен на рис. 2. Графические зависимости влияния модификаторов на краевой угол смачивания субстратов для карбамидоформальдегидного и фенолформальдегидного адгезивов для субстрата костра льна представлены на рис. 3.
Рис. 1. Зависимость влияния количества модификатора на поверхностное натяжение а) карбамидоформальдегидного, б) фенолформальдегидного адгезивов
без спирта 1,5 % спирта 3% спирта без спирта 1,5 % спирта 3% спирта
а) б)
Рис. 2. Вид капель карбамидоформальдегидного (а) и фенолформальдегидного (б) адгезивов на поверхности костры льна
Рис. 3. Зависимость влияния модификатора на краевой угол смачивания
а) карбамидоформальдегидного б) фенолформальдегидного адгезивов
Для оценки сопоставимости экспериментальных данных с теоретическими выводами были рассчитаны значения косинусов краевых углов смачивания для конкретных субстратов и адгезивов с известными величинами поверхностного натяжения по формуле:
cos = 2 (т / ж) – 1. (8)
Формула (8) справедлива для краевых углов более 0,
cos<1. Проведенная оценка свидетельствует о достаточной сходимости результатов.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что наиболее эффективными модификаторами карбамидоформальдегидной и фенолформальдегидной смол являются бутиловый, изопропиловый и этиловый спирты. Анализ полученных графических зависимостей показал, что при использовании карбамидоформальдегидной смолы оптимальное смачивание костры происходит при добавлении в смолу бутанола в количестве 2,5 %, изопропилового и этилового спиртов - 3 %. В этом случае наблюдается полное растекание капли смолы на поверхности костры. При использовании фенолформальдегидной смолы оптимальное смачивание костры происходит при добавлении в смолу бутилового спирта в количестве 2,5 %, изопропилового спирта 3 %, этилового спирта – около 3,5 %.
Согласно выражению (5) работа адгезии описывается параболической функцией. На рис. 4 представлены графические интерпретации зависимостей работы адгезии от поверхностного натяжения карбамидо- и фенолформальдегидного адгезивов, модифицированных спиртами для субстрата костры льна.
Рис. 4. Зависимость работы адгезии от поверхностного натяжения
а) карбамидоформальдегидного б) фенолформальдегидного олигомера,
модифицированного спиртами
Проведенные расчеты свидетельствуют о повышении работы адгезии при использовании клеевых составов, модифицированных спиртами.
На наш взгляд обоснованный подбор рационального вида и количества модификатора необходимо вести при наличии максимального значения работы адгезии (пика) в диапазоне не выше критической величины поверхностного натяжения адгезива, или близкого значения с большей стороны, т.е. применительно к костре льна до 45 МДж/м2, березе – до 49 МДж/м2, сосне – до 47 МДж/м2. В диапазоне выше данных значений не будет происходить полного смачивания и поэтому учитывать и анализировать экстремальные значения работы адгезии не имеет смысла. С этой точки зрения наиболее эффективные показатели для всех исследуемых видов субстратов у карбамидо-формальдегидного и фенолформальдегидного олигомеров, модифицированных бутиловым и изопропиловым спиртами. Хуже показатели при модифицировании смол этиловым спиртом, однако этиловый спирт также может рассматриваться как достаточно эффективный модификатор карбамидоформальдегидных и фенолформальдегидных смол. Рациональное количество вводимых в клеевой состав данных спиртов для обеспечения полного смачивания и высокой работы адгезии – 2…3%.
Для костры льна модификация данными спиртами вызывает наиболее положительный по сравнению с берёзовыми и сосновыми субстратами эффект, так как при этом обеспечивается качественное распределение модифицированного связующего между частицами костры, что не наблюдается при использовании традиционной смолы без модификатора. В случае осмоления древесных частиц возможно использование клеев с более высоким уровнем поверхностного натяжения, в том числе и без модификатора, так как качественное распределение связующего возможно за счет достаточно равномерного переноса клея между частицами вследствие их перетирания, поскольку древесные частицы в отличие от костры обладают достаточной жесткостью.
Таким образом для модификации карбамидо- и фенолформальдегидных смол, применяемых для осмоления костры льна рекомендуются бутиловый, изопропиловый или этиловый спирты в количестве 2..3% от массы жидкой смолы.
В четвёртом разделе «Экспериментальная оценка свойств плитных материалов на основе костры льна, совмещенных наполнителей и модифицированных клеевых составов» проведены исследования, направленные на изучение свойств костроплит и плит на основе совмещённого наполнителя с использованием модифицированных клеевых композиций; оценено влияния технологических факторов на свойства плит на основе совмещённых наполнителей; оценены экологические параметры древесно-стружечных плит на основе модифицированных клеевых композиций.
Проведённые теоретические и экспериментальные исследования по модификации клеевых составов, применяемых для плитных материалов на основе древесных частиц и костры льна, показали, что при модифицировании карбамидоформальдегидной и фенолформальдегидной смол КФН-66 и СФЖ-3014 бутиловым, изопропиловым и этиловым спиртами в количестве 2..3% от массы раствора смолы поверхностное натяжение исследуемых клеев приближается к поверхностному натяжению костры. Таким образом, обеспечивается необходимое смачивание костры и высокая адгезия, в результате чего готовая плитная продукция обладает высокими эксплуатационными показателями.
Для подтверждения полученных результатов были изготовлены костроплиты на основе модифицированного олигомера КФН-66, и костроплиты на основе модифицированного олигомера СФЖ-3014. Заданная плотность плит составляла 750 кг/м3, расход абсолютно сухого карбамидоформальдегидного связующего – 12%, фенолформальдегидного связующего – 15% от массы костры. Графические интерпретации основных физико-механических характеристик (предел прочности при изгибе и разбухание по толщине) для костроплит представлены на рис. 5.
Полученные данные показывают, что при введении в клеевой состав модификатора наблюдается повышение прочностных характеристик, снижение разбухания и водопоглощения плит на основе костры. Наилучшие эксплуатационные характеристики наблюдаются для костроплит на основе связующего, модифицированного бутиловым или изопропиловым спиртом. Этиловый спирт обладает стабилизирующими свойствами для формальдегидных смол, поэтому может применяться как модификатор и стабилизатор, однако, как отмечалось выше, использование в качестве модификатора бутилового или этилового спирта предпочтительней, поскольку эксплуатационные характеристики плит на основе смол, модифицированных такими спиртами, выше.
а) б)
в) г)
Рис. 5. Графические зависимости основных физико-механических характеристик костроплит на основе олигомера КФН-66 (а, б) и на основе олигомера СФЖ-3014 (в, г) от различного содержания модификатора
Стоимость этилового спирта в среднем в два-три раза выше, чем бутилового и изопропилового спиртов. Изопропиловый спирт, несмотря на положительные результаты модифицирования, имеет достаточно высокую ПДК – 10 мг/м3 в рабочей зоне и 600 мкг/м3 в атмосферном воздухе. К тому же изопропиловый спирт обладает резким запахом. Для бутилового спирта все вышеперечисленные недостатки не характерны, поэтому в качестве модификатора клеевого состава плит на основе костры льна целесообразно применять бутиловый спирт в количестве 2% от количества смолы.
С целью исследования свойств плитных материалов на основе совмещенных наполнителей были изготовлены 6 типов плит на основе смолы КФН-66 и 6 типов плит на основе смолы СФЖ-3014 с различным соотношением древесных частиц и костры льна. Заданная толщина плит –
16 мм, плотность – 750 кг/м3. Клеи совмещались с модификатором бутиловым спиртом в количестве 2% от массы смолы для повышения смачивающей способности и адгезионных свойств по отношению к костре.
Сводные результаты оценки физико-механических показателей образцов плит представлены в табл. 1.
Таблица 1
Итоговые результаты испытаний плитных материалов
на основе совмещенных наполнителей
| N п/п | Тип наполнителя плиты | Физико-механические свойства, средние значения по результатам дублированных опытов | ||
| Предел прочности при изгибе и, МПа | Предел прочности при отрыве отр, МПа | Разбухание по толщине Ps, % | ||
| Плиты на основе карбамидоформальдегидной смолы КФН-66 | ||||
| 1.1 | 100% Д + М | 14,1 | 0,32 | 25,4 |
| 1.2 | 25% К, 75% Д + М | 15,3 | 0,45 | 22,7 |
| 1.3 | 50% К, 50% Д + М | 18,9 | 0,62 | 18,6 |
| 1.4 | 75% К, 25% Д + М | 20,5 | 0,64 | 18,3 |
| 1.5 | 100% К + М | 17,2 | 0,5 | 22,6 |
| 1.6 | 100% Д | 17,9 | 0,42 | 21,2 |
| Плиты на основе фенолформальдегидной смолы СФЖ-3014 | ||||
| 2.1 | 100% Д + М | 13,6 | 0,36 | 10,1 |
| 2.2 | 25% К, 75% Д + М | 15,6 | 0,39 | 8,0 |
| 2.3 | 50% К, 50% Д + М | 19,0 | 0,51 | 7,3 |
| 2.4 | 75% К, 25% Д + М | 18,2 | 0,53 | 7,9 |
| 2.5 | 100% К + М | 16,1 | 0,41 | 9,5 |
| 2.6 | 100% Д | 17,3 | 0,47 | 8,0 |
Примечание: Д – измельченная древесина, К – костра льна, М – модификатор.
Проведенные экспериментальные запрессовки подтвердили технологическую возможность производства древесных плит на основе совмещённых наполнителей на существующем оборудовании плитных производств. При этом по физико-механическим характеристикам плиты удовлетворяет требованиям стандарта ГОСТ 10632-2007 на продукцию аналог - древесно-стружечные плиты.
Наибольшей прочностью обладают плиты с содержанием костры соответственно 50 и 75%, поскольку в структуре данного материала происходит заполнение пространств и пустот, образованных соприкасающимися древесными частицами довольно большой толщины, тонкими частицами костры льна. При этом образуется более монолитный (по сравнению с традиционной древесно-стружечной плитой) материал, что ведет к повышению его прочностных характеристик. Кроме этого при добавлении костры в структуру плитного материала снижается его разбухание и водопоглощение за счет того, что частицы костры обладают меньшей впитывающей способностью.
Путем реализации В-плана второго порядка оценено влияние основных технологических факторов (табл. 2) на основные физико-механические характеристики плит, изготовленных с применением карбамидоформальдегидной смолы КФН-66.
Таблица 2
Управляемые факторы и уровни их варьирования
| Наименование факторов | Обозначение | Интервал варьи-рования | Уровень варьирования | |||
| Нату-ральное | Норма-лизо-ванное | Нижний (-1) | Основ-ной (0) | Верхний (+1) | ||
| x1 | 100 | 600 | 700 | 800 | |
| 2. Расход связующего, % | Рсв | x2 | 4 | 8 | 12 | 16 |
| 3. Количество костры, % | Кк | x3 | 25 | 50 | 75 | 100 |
| 4. Количество модификатора (бутанола), % | Км | x4 | 1 | 0 | 1 | 2 |
Постоянные факторы:
- толщина плиты – 16 мм;
- температура прессования – 180С;
- удельное давление прессования – 2 МПа;
- время выдержки под давлением – 0,4 мин на 1 мм толщины (6,4 мин для плиты, толщиной 16 мм);
- время плавного снижения давления – 1 мин.
По результатам исследований получены адекватные регрессионные модели в кодированных и натуральных обозначениях:
а) выходная величина – предел прочности при статическом изгибе:
Y1 = 15,54 + 1,78 х1 + 2,72 х2 – 0,35 х3 + 2,11 х4 + 0,61 х12 + 0,91 х22 – 0,69 х32;
и = 25,73 +0,1516 Kк – 0,001104 Kк2 + 0,056875 Pсв2 – 0,685 Pсв + 0,000061 2 –
–0,0676 + 2,11 Kм;
б) выходная величина – предел прочности при перпендикулярном отрыве:
Y2 = 0,35 + 0,074 х1 + 0,09 х2 – 0,014 х3 + 0,161 х4 + 0,031 х12 + 0,026 х22 –
– 0,039 х32 + 0,086 х42 ;
= 0,931 + 0,0088 Kк – 0,0000624 Kк2 + 0,086 Kм2 – 0,011 Kм + 0,001625 Pсв2 –
– 0,0165 Pсв + 0,0000031 2 – 0,0036 ;
в) выходная величина – разбухание по толщине:
Y3 = 23,4 + 2,2 х1 – 4,3 х2 + 0,6 х3 – 5,8 х4 + 0,49 х12 – 0,61 х22 – 0,71 х42 + 1,3 х2х4;
Рs = 46,61+ 0,325 Kм Pсв – 0,71 Kм2 – 8,28 Kм – 0,038125 Pсв2 –0,485 Pсв +
+ 0,000049 2 – 0,0466 + 0,024 Kк;
г) выходная величина – водопоглощение:
Y4 = 68,34 + 4,36х1 – 12,77х2 + 3,55х3 – 14,16х4 + 2,74х12 – 4,25х22 + 1,10х32 –
– 2,15х42 + 2,03х2х4.
Wвд = 189,49 + 0,00176 Кк2 – 0,122 Кк – 2,15 Км2 + 0,5075 Км Рсв – 15,95 Км –
– 0,265625 Рсв2 + 2,675 Рсв + 0,000274 2 – 0,34.
На рис. 6 представлены графические зависимости основных физико-механических характеристик плит от количества костры льна и модификатора смолы в плите при постоянных значениях плотности 750 кг/м3 и расхода связующего 12 %.
Рис. 6. Графические зависимости основных физико-механических характеристик плит
Анализ полученных математических моделей и их оптимизация при максимизации прочностных показателей и минимизации физических позволили определить рациональные условия производства плитных материалов на основе совмещенных наполнителей и модифицированных клеевых составов: плотность плит – 750 кг/м3; расход связующего – 12 % от массы стружки; количество костры льна – 75 % от общей стружечной массы; количество модификатора клеевого состава (бутанола-1) – 2% от массы жидкой смолы; температура прессования – 180С; давление прессования – 2 МПа; время выдержки под давлением – 0,40 мин на 1 мм толщины плиты; рекомендуемое время на плавное снятие давления – 1 мин.
При изготовлении плит при указанных условиях удается получить материал, удовлетворяющий физико-механическим и экологическим требованиям отечественного стандарта ГОСТ 10632-07 и европейского стандарта EN312 на аналогичные древесно-стружечные плиты:
- предел прочности при изгибе – 21,3 МПа;
- предел прочности при перпендикулярном отрыве – 0,71 МПа;
- разбухание по толщине – 13,3 %.
Оценка остаточного содержания свободных модификаторов (спиртов) показала, что выделение спиртов из древесных плит, изготовленных с применением модифицированных клеевых составов, составляет в среднем 0,005 мг/м3, что значительно ниже предельно допустимых норм (0,1 мг/м3).
В пятом разделе «Технико-экономическое обоснование производства плитных материалов на основе костры льна, совмещенных наполнителей и модифицированных клеевых составов» разработаны технико-технологические рекомендации для перехода производства древесно-стружечных плит на частичный выпуск стружечных плит из измельченной древесины и костры льна, а также представлен технико-экономический анализ производства таких плит.
Основные отличия технологии производства плит с применением костры льна на основе модифицированных клеевых составов от традиционной технологии производства ДСтП заключаются в изменении:
- технологии подготовки клеевого состава, поскольку требуется дополнительная операция введения модификатора смолы;
- организации склада сырья, необходимо введение дополнительного участка подготовки кострового сырья;
- организации начальной подготовки сырья, поскольку не требуется сушки костры, а также разделения стружки на фракции для наружного и внутреннего слоёв.
Расчет экономической эффективности предлагаемых решений показал, что организация производства плит с использованием костры льна позволяет уменьшить себестоимость продукции до 10 %, повысить рентабельность производства до 3,2 % (в зависимости от вида плитного материала). При этом снижается расход сырья, затраты на его обработку, эффективно утилизируются отходы льнопроизводства, а предприятия получают прибыль, соизмеримую с доходом от реализации традиционных плитных материалов (ДСтП, фанеры). Предложенные в работе технологические мероприятия позволяют увеличить выручку от реализации продукции до 8%.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
- Теоретически обоснованы закономерности формирования клеевых соединений в структуре плитных материалов на основе целлюлозосодержащих наполнителей с применением клеевых составов на основе синтетических олигомеров. Установлено, что костра льна, как наполнитель плит, неравномерно осмоляется синтетическими клеями, поскольку имеет меньшее поверхностное натяжение по сравнению с древесиной. Физико-механические свойства плит, изготовленных с применением костры льна и традиционных синтетических клеев, уступают физико-механическим свойствам древесно-стружечных плит. Установлено, что повышение эксплуатационных характеристик плит, изготовленных с применением костры, возможно при применении клеев с пониженной величиной поверхностного натяжения.
- Экспериментально оценены термодинамические свойства клеевых композиций на основе карбамидоформальдегидных и фенолформальдегидных смол, модифицированных простыми спиртами – величины поверхностного натяжения и краевые углы смачивания. Установлено, что при введении в клеевые составы простых спиртов происходит уменьшение поверхностного натяжения и краевых углов смачивания, что приводит к равномерности осмоления частиц наполнителя, повышению работы адгезии, повышению физико-механических свойств плит.
- Обоснованы рецептуры клеевых композиций на основе карбамидоформальдегидных и фенолформальдегидных смол, модифицированных простыми спиртами для обеспечения равномерного осмоления частиц костры, высоких адгезионных свойств, требуемых физико-механических показателей плит. Установлено, что для модификации карбамидо- и фенолформальдегидных смол, применяемых для осмоления костры льна эффективными модификаторами являются бутиловый, изопропиловый, этиловый спирты в количестве 2..3% от массы жидкой смолы. Плиты, изготовленные с применением модифицированных клеев удовлетворяют основным требованиям ГОСТ 10632-2007.
- Обоснованы рациональные технологические параметры прессования плит с использованием совмещенных наполнителей (костры льна, древесных частиц) и модифицированного карбамидоформальдегидного клея, разработаны технологические рекомендации по их производству. Доказана экономическая эффективность производства плит с использованием в качестве наполнителя костры льна. Установлено, что при организации производства плитных материалов с использованием костры льна уменьшается себестоимость продукции до 10%, повышается рентабельность производства на 3,2%, снижается расход древесного сырья, затраты на его обработку, эффективно утилизируются отходы льнопроизводства.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Кожевников Д.А. Оценка работы адгезии клеевых композиций на основе карбамидоформальдегидного олигомера, модифицированного спиртами, применительно к производству древесных плит / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Клеи. Герметики. Технологии. – М.: Наука и технологии, 2011.
– №12. – с. 26-29.
2. Кожевников Д.А. Технология производства древесных плит на основе совмещенных наполнителей / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник: научно-информационный журнал. – М.: МГУЛ, 2012, №2. – с. 139-144.
3. Кожевников Д.А. Оценка смачивающей способности клеевых составов, модифицированных спиртами, применительно к производству клееных древесных материалов / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Клеи. Герметики. Технологии. – М.: Наука и технологии, 2012. – №7. – с. 24-27.
4. Кожевников Д.А. Обоснование экономической эффективности производства композиционных плит на основе совмещенных наполнителей / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Вестник МГУЛ – Лесной вестник: научно-информационный журнал. – М.: МГУЛ, 2012, №4. – с. 147-151.
В рецензируемых журналах, сборниках научных трудов
- Угрюмов С.А. Плитные композиционные материалы на основе совмещенных наполнителей / С.А. Угрюмов, Д.А. Кожевников // Вестник КГТУ: рецензируемый периодический научный журнал. –Кострома : КГТУ, 2009. – № 20. – с. 34-36.
- Угрюмов С.А. Технико-экономические аспекты производства костроплит С.А. Угрюмов, Е.А. Боровков, Д.А. Кожевников // Актуальные проблемы лесного комплекса: сборник научных трудов. –Брянск: БГИТА, 2009. –Вып. 24. – с. 192-194.
- Кожевников Д.А. Композиционные материалы на основе древесных наполнителей и костры льна / Д.А. Кожевников // Сборник научно-исследовательских работ молодых ученых по программе «Шаг в будущее». - Кострома: ГОУДОД «Костромской областной центр научно-технического творчества «Истоки», 2009. – с.80-83.
- Кожевников Д.А. Анализ эффективности модификации карбамидо-формальдегидного олигомера спиртами применительно к производству древесных плит / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Научные труды молодых учёных КГТУ. –Кострома: КГТУ, 2011. – Вып. 12. – Часть 1. – с.75-79.
- Кожевников Д.А. Композиционные материалы конструкционного назначения на основе совмещённых наполнителей и модифицированных клеев / Д.А. Кожевников // Вестник КГТУ: рецензируемый периодический научный журнал. –Кострома : КГТУ, 2011. – № 1(26). – с. 44-47.
- Угрюмов С.А. Сравнительный анализ смачивающей способности модифицированного карбамидоформальдегидного олигомера по отношению к древесным наполнителям и костре льна / С.А. Угрюмов, Д.А. Кожевников // Актуальные проблемы лесного комплекса: сборник научных трудов. –Брянск: БГИТА, 2011. – Вып. 29. – с. 87-89.
- Кожевников Д.А. Перспективы производства и применения плитных композиционных материалов на основе совмещенных наполнителей / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы научно-технической конференции. –Кострома: КГТУ. 2012. – с. 111-113.
В материалах конференций
- Кожевников Д.А. Плитные композиционные материалы на основе совмещенных наполнителей / Д.А. Кожевников // Ступени роста - 2009: тезисы научно-практической конференции. –Кострома: КГУ им. Н.А. Некрасова, 2009. – с. 9-10.
- Кожевников Д.А. Модификация карбамидоформальдегидных смол дисперсией ПВА применительно к производству плитных материалов на основе костры льна / Д.А. Кожевников // Ступени роста – 2010: тезисы научно-практической конференции. – Кострома: КГУ им. Н. А. Некрасова, 2010. – с.16-17.
- Кожевников Д.А. Модификация синтетических смол спиртами применительно к производству древесных плит / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Студенты и молодые ученые КГТУ - производству: материалы 62-й межвузовской научно-технической конференции. –Кострома: КГТУ, 2010. – Т. 2. – с. 98-99.
- Кожевников Д.А. Оценка эффективности применения модифицированных клеев в производстве костроплит / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона: материалы международной научно-технической конференции. –Кострома: КГТУ, 2010. – с.213-215.
- Кожевников Д.А. Исследование свойств костроплит на основе модифицированных клеевых составов / Д.А. Кожевников, С.А. Угрюмов // Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона: материалы международной научно-технической конференции. – Кострома: КГТУ, 2012. – с.172-173.
Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д. 212.220.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194121, Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Ученый совет. Факс: 8(812) 670-92-17.
