Введение к работе
Актуальность темы. Расширение области использование клееных материалов из шпона и необходимость применения хвойных пород древесины для их производства требуют создания новых и совершенствования технологии традиционных видов продукции, способных удовлетворять требованиям потребителя. Направленное регулирование свойств слоистых материалов может быть достигнуто путем изменения их структуры (породного состава сырья, слойности, расположения листов шпона в пакете) и технологии склеивания.
Формирование клеевых соединений достаточно сложный физико-химический процесс взаимодействия связующего и древесины, сопровождающийся массо- и теплообменом, изменением свойств ком понентов, и, поэтому требующий специальных технологий. Вот почему, создание научно-аргументированных режимов обработки возможно лишь на основе знаний о явлениях, имеющих место при склеивании, свойств древесины и клеев.
До недавнего времени для исследования процесса формирования клеевых соединений использовался, как правило, березовый шпон - основное сырье для изготовления слоистых маїериалов. Применение хвойного шпона в фанерном производстве создало значительные технологические трудности вследствие особенностей этой древесины (неоднородность плотности, низкая парогаэопроводность, высокое содержание натуральных.смол). В результате количественный и качественный выход продукции из хвойной древесины ниже, чем лиственной.
Актуальность проблемы разработки научных основ технологии склеивания шпона и регулирования свойств клееных материалов в процессе их производства подтверждается и многочисленными публикациями в отечественной и зарубежной литературе.Б разные годы над ее решением работали П.П.Анисов, А.Е.Анохин, В.Г. Бирюков, А.Н.Кириллов, В.А.Куликов, А.Н.Минин, К.Ф.Севастьянов, А.Т.Орлов, А.В.Чубов, а также C.Hse , М.Оки.та. , p.Stc-iner J.Waion.s и многие другие исследователи.
Цель работы. Разработка научных основ технологии склеивания шпона. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
.-4-
теоретические исследования структури пакета шпона и определение напряжений, возникающих в клееных слоистых материалах при изгибе;
разработка алгоритма расчета оптимальных наборов толщин шпона, обеспечивающих получение продукции требуемых толщин;
физическое и математическое описание основных закономерностей формирования клеевых соединений шпона и разработка методик расчета теплового состояния пакета шпона при склеивании, определения избыточного давления парогазовой смеси, глубины проникновения клея в древесину;
исследование физико-химических процессов (деформирования пакета шпона, его нагрева, проникновения клея в древесину, отверждения связующего и др.) склеивания шпона и степени их влияния на качество соединения}
исследование физико-механических свойств продукции и ее материалоемкости;
исследование возможности модификации клеев, применяемых в производстве фанеры, для повышения эффективности процесса склеивания;
разработка технологии конструкционных строительных мате-риалов из хвойного шпона.
Научная новизна работы.
I. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние структуры пакета шпона на физико-механические свойства конструкционных материалов, в том числе и при Использовании нескольких пород древесины в одном пакете. В отличие от су чествующего подхода доказано, что разрушение клееных материалов является следствием не только нормальных, как предусмотрено действующим стандартом, но и касательных напряжений, превышающих предельно допустимые при сдвиге.
24 Разработаны методика и программный продукт для определения оптимальных толщин шпона, предложен новый принцип установления толщин фанеры на основе рядов предпочтительных чисел, что позволяет изготавливать весь ассортимент продукции из Мини мального количества толщин шпона с учетом фактических технологических потерь древесины.
3. Сформулированы, обоснованы и математически описаны ос-
новные закономерности физико-химических процессов, имеющих место при склеивании:
деформирование пакета шпона имеет наследственный характер. Основными факторами, определяющими деформации древесины б начальном состоянии при склеивании, являются ее влажность и давление прессования; нагревание существенно повышает податливость прессуемого материала, его деформации растут по времени с увеличением температуры при постоянном усилии сжатия;
деформация древесины, достигающая в процессе склеивания до 40%, существенно влияет на кинетику нагрева пакета шпона и ларогазообразование в нем;
деформации хвойного шпона зависят от вида древесины (ранняя или поздняя); размеры клеток поздней древесины практически не изменяются при пьезотермической обработке;
деформация древесины и поглощение ею клея взаимосвязанные процессы, описываемые теорией консолидации.
Выдержку пакета шпона под постоянным давлением следует „заканчивать, когда отсутствует поток связующего через поверхность подложки и стабилизированы реологические свойства склеиваемого материала.
4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность изменения давления прессования в процессе склеивания в соответствии с уменьшением модуля упругости пакета шпона.
с 5. Определены физико-механические свойства строительных элементов, склеенных из хвойного шпона, которые в 1,5-2 раза выше, чем у аналогичных из пиломатериалов..
6. Выбраны и обоснованы критерии э44о:стч!пнпсти процесса склеивания шпона, получены модели, свяямващие их с управляющими факторами. Применение ятих моделей и алгоритмов позволяет, изменяя технологические условия и режимы, конструкцию пакета шпона, получать материал с требуемыми физико-механическими свойствами.
V. Экспериментальна доказана эффективность модификации карбамидо- и фенолофорыяльдегидннх клеев путем их совмещения, применения активних наполнителей, в том числе отходов кристаллического кремния.
- б -
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Касательные напряжения, возникающие при изгибе в резуль^ тате межслойного сдвига, наряду с нормальными приводят к разрушению клееных материалов из шпона.
-
Деформирование древесины и проникновение в нее связующего взаимосвязанные процессы, имеющие место при склеивании шпона, описание которых возможно теорией консолидации.
-
Деформация древесины наряду с температурой плит пресса определяет тепловое состояние пакета шпона и давление парогазовой смеси в нем.
-
Деформирование пакета шпона является наследственным процессом, описание которого возможно одноименной теорией.
-
Формирование клеевого соединения при пьезотермической обработке считается законченным, когда поток жидкой фазы через границу древесина - связующее стремится к нулю и стабилизированы реологические свойства прессуемого материала.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями, корректными допущениями при замене реальных процессов расчетными схемами и разработке математических моделей; современными средствами научного проникновения, включая теории наследственности, связанного деформирования и фильтрации; подтверждением адекватности разработанных моделей функционированием технологических процессов; результатами испытаний, проведенных на предприятиях отрасли, приемлемыми совпадениями результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, а также общими итогами выпуска опытно-промышленных партий продукции и положительными результатами внедрения технологии в производство.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты являются научной основой для повышения эффективности и совершенствования технологии склеивания шпона. Большинство результатов исследований реализовано в промышленности, что позволило снизить количество брака в производстве фанеры, уменьшить расход древесины на единицу продукции, увеличить производительность труда на участке склеивания шпона. Предложен новый конструкционный материал из хвойного шпона (кле-енне балки), определены его свойства и технология изготовления.
Ряд разработок защищены авторскими свидетельствами и включены в официальные нормативные документы (технические условия, технологические инструкции).
Место проведения исследований. Работы проводились автором или под его руководством на кафедре механической технологии древесины и древесных материалов, в отраслевой научно-исследовательской лаборатории клееных деревянных конструкций, на фанерных предприятиях страны.
Клееные слоистые материалы из шпона для балок изготавливались в I984-1985 гг. на фанерном заводе Братского лесопромышленного комбината и испытывались на Нововятском комбинате древесных плит. Разработки по совершенствованию технологии фанеры и фанерных плит проводились в 1986-1993 гг. на Пермском, Усть-Ижорском, Мантуровском фанерных комбинатах, Таллинском и Муромском фанерно-мебёльных комбинатах. Оптимальные наборы толщин шпона и программный продукт для их расчета реализованы на Пермском и Усть-Ижорском фанерных комбинатах.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы были заслушаны и получили одобрение на:
ежегодных научно-технических конференциях лесотехнической академии в 1978-1995 гг.;
научно-технических конференциях УкрНШШОД в 1983, 1986, 1991 гг.;
научно-технических конференциях Белорусского технологического института в 1985, 1989 гг., Братского индустриального института в 1992 г., Ленинградского дома научно-технической пропаганды в 1979, 1990 гг., Пермского правления НТО лесной промышленности в 1991 г;
международных конференциях в Токио в 1990 г., Лондоне, Софии, Зволене в 1991 г., Зволене в 1993 г.
Разработки диссертации экспонировались и получили одобрение на ЦЦНХ.
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований апробированы и внедрены на фанерном заводе Братского лесопромышленного комплекса, Пермском, Устъ-Ижорском и Мантуровском фанерных комбинатах, Таллинском и Мурэмском фанерно-мебель-
ных комбинатах. Фактический экономический эффект составляет более 500 тыс.руб. в ценах І987-І990 гг. Результаты исследований внедрены также в учебном процессе лесотехнической академии.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 33 работах, включая монографию, брошюру и 2 авторских свидетельства на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Текстовая часть изложена на 191 стр. В работе содержится 62 таблицы, 52 рисунка, список литературы несчитывает 166 наименований, в т.ч. 34 на иностранных языках. Приложения на 123 страницах включают результаты исследований, копии нормативно-технических документов, справки об экономической эффективности и ДР-