Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 12
1.1. Анализ методов определения коэффициентов диффузии 12
1.2. Анализ антипиренов 16
1.3. Анализ коэффициентов диффузии и области их исследования 28
1.4. Обоснование, выбор направления, цель и постановка задач исследования 34
ГЛАВА 2. Методика выполнения экспериментальных работ по определению коэффициента диффузии 37
2.1. Материалы и экспериментальная установка для определения коэффициента диффузии 37
2.2. Методика выполнения экспериментальных работ по определению коэффициента диффузии 38
2.3. Методика выполнения экспериментальных работ при использовании математических методов планирования эксперимента 43
2.3.1. Методические особенности применения метода планирования эксперимента при определении коэффициентов диффузии антипирена в шпоне 44
2.3.2. Выбор интервалов варьирования и плана эксперимента 46
2.4. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 50
2.4.1. Обработка экспериментальных данных при определении коэффициентов диффузии 52
2.4.2.Обработка результатов плана эксперимента при по строении регрессионных моделей 53
ГЛАВА 3. Исследование коэффициентов диффузии антипирена при пропитке шпона лиственных и хвойных пород древесины 55
3.1. Анализ свойств и характеристик пропиточного раствора 55
3.2. Статистические и физические характеристики процесса диффузионной пропитки 59
3.3. Исследование коэффициентов диффузии антипирена при пропитке шпона лиственных пород 67
3.3.1. Анализ характеристик процесса диффузионной пропитки шпона лиственных пород 67
3.3.2. Математические регрессионные модели коэффициентов диффузии антипирена в шпоне лиственных пород 79
3.4. Исследование коэффициентов диффузии антипирена при пропитке шпона хвойных пород 83
3.4.1. Анализ характеристик процесса диффузионной пропитки шпона хвойных пород 84
3.4.2. Математические регрессионные модели коэффициентов диффузии антипирена в шпоне хвойных пород 92
3.5. Графическая интерпретация и анализ результатов иссле дования 98
Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4. Теоретические и экспериментальные исследования промышленного процесса пропитки шпона 104
4.1. Анализ компонент поглощения антипирена при промышленной пропитке шпона 104
4.2. Разработка промышленных режимов пропитки шпона лиственных и хвойных пород 114
4.2.1. Пропитка шпона лиственных пород 114
4.2.2. Пропитка шпона хвойных пород 122
4.3. Сравнительные исследования санитарно-гигиенических характеристик антипиренов моноаммонийфосфата и диаммонийфосфата 130
Выводы по главе 4 132
ГЛАВА 5. Промышленная апробация технологии огнезащищенной фанеры конструкционного на значения лиственных и хвойных пород 134
5.1. Выпуск опытно-промышленных партий огнезащищенной фанеры конструкционного назначения 134
5.2. Оценка экономической эффективности внедрения нового антипирена для пропитки шпона в производстве огнезащищенной фанеры 147
5.2.1, Расчет статей калькуляции 148
5.2.2 Расчет экономической эффективности от внедрения нового антипирена 155
5.3. Научно-технические и внедренческие работы по совершенствованию промышленной технологии огнезащищенной фанеры конструкционного назначения 159
Выводы по главе 5
- Анализ коэффициентов диффузии и области их исследования
- Методика выполнения экспериментальных работ по определению коэффициента диффузии
- Анализ характеристик процесса диффузионной пропитки шпона лиственных пород
- Разработка промышленных режимов пропитки шпона лиственных и хвойных пород
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие науки и техники в течение последних десятилетий привело, в частности, к созданию новых материалов, составляющих серьезную конкуренцию традиционно используемым природным материалам, в том числе древесным.
Древесные материалы, обладая целым рядом несомненных достоинств, таких как возобновляемость сырьевой базы,, экологическая чистота, легкость обработки и др., имеют и определенные недостатки. Эти недостатки и позволили новым недревесным материалам существенно потеснить древесину во многих сферах применения, а в некоторых - полностью заменить ее. Однако научно-технический прогресс не обошел стороной и древесные материалы. Их развитие в условиях конкурентной борьбы с другими материалами идет в двух направлениях: по пути специализации применительно к конкретным областям использования и по пути ликвидации недостатков, присущих древесине,
Сказанное в полной мере относится и к такому древесному материалу, как фанера. Фанера представляет собой слоистый композит из склеенных между собой трех и более листов шпона с взаимно перпендикулярным направлением волокон в смежных слоях. Легкий и прочный, со сравнительно большой площадью, нетоксичный и "живой" материал находит достаточно широкое применение и имеет потенциальную возможность роста этого применения на пути создания специальных видов фанеры, например, опалубочной, ламинированной и т.п. Однако фанера, как и другие древесные материалы, обладает серьезным недостатком - повышенной горючестью, и этот недостаток может в определенных условиях свести на нет все достоинства фанеры. Например, в 80-х гг. прошлого столетия в нашей стране были введены новые требования к пожарной безопасности пассажирских вагонов, согласно которых горючие материалы должны быть заменены на трудногорючие, медленно распространяющие пламя. В дальнейшем требования еще более ужесточились. Согласно требованиям Ведомственных Норм Пожарной Безопасности 2003 г. [25], допуск материалов в вагоностроение стал ограничиваться также по дымообразующей способности и токсичности продуктов горения. В настоящее время на изготовление одного вагона расходуется, в зависимости от типа, 5...8 м3 фанеры.
Снижение горючести фанеры возможно за счет нескольких мероприятий: введения антипирена в листы шпона до технологической операции склеивания фанеры; химического модифицирования синтетических олигомеров, используемых в качестве клеев, или введения огнезащитных добавок в клеевую композицию; использования огнезащитных покрытий, наносимых на готовую фанеру в отдельной технологической операции или по месту использования фанеры [65].
Чаще всего эти мероприятия реализуются отдельно друг от друга. Практика показывает, что наиболее перспективны технологии изготовления огнеза-щишенной фанеры, базирующиеся на пропитке листов шпона в растворе антипирена с последующим склеиванием в фанеру. Индивидуальная обработка каждого листа шпона позволяет создать фанеру, защищенную по всему объему и обладающую высокими эксплуатационными характеристиками, сохраняющимися в течение длительного времени, а метод пропитки обеспечивает наиболее надежную защиту древесины от огня.
При изготовлении огнезащищенной фанеры путем полистной пропитки шпона, особую значимость приобретает выбор антипирена. Такая постановка вопроса обусловлена тем, что, обладая исходно высокой огнезащитной эффективностью, антипирен должен не только передавать аналогичные свойства пропитываемому материалу, но и удовлетворять технологическим требованиям производства фанеры, а именно: не оказывать деструктивного воздействия на древесину и не снижать прочность склеивания листов шпона. Для этого он должен иметь определенную химическую инертность и не препятствовать отверждению клея, взаимодействовать с древесным комплексом без высаливания на поверхности шпона, а также вводиться в шпон в заданном количестве достаточно эффективным и не трудоемким способом, реализация которого не требует дорогостоящего оборудования. Эти требования в значительной мере ограничивают номенклатуру антипиренов, пригодных для изготовления огнезащи
щенной фанеры. Из множества известных защитных веществ и составов, этому комплексу требований в наибольшей степени удовлетворяют аммонийные соли ортофосфорной кислоты - диаммонийфосфат и моноаммонийфосфат [58]. Этим химическим соединениям присущи такие общетехнические достоинства, как доступность приобретения, относительно невысокая стоимость, малая токсичность. Они удовлетворяют требованиям проведения диффузионной пропитки в высококонцентрированных растворах при повышенных температурах и обеспечивают эффективную огнезащиту материала по всему объему.
Методики исследования коэффициентов диффузии (КД) антипирена в шпоне различных пород достаточно подробно рассмотрены в работах [19, 22, 68, 90]. Как показывает анализ этих работ, наиболее приемлемыми по ряду специфических свойств для исследования шпона являются три метода определения КД: мембранный, сорбционный и послойный. Расчеты КД с использованием названных выше методов [90] дают удовлетворительную сходимость получаемых результатов, что делает возможным применение для исследований любого из них. Однако с точки зрения практического применения (трудоемкость, сложность экспериментальных работ, продолжительность и др.), наиболее предпочтительным для исследования диффузионной пропитки шпона является сорбционный метод, который хорошо изучен и неоднократно использовался в экспериментальной деятельности. Этот метод применялся и в настоящей работе.
Промышленное освоение и последующее серийное изготовление огнеза-щищенной фанеры по технологии, разработанной в МГУЛ [22, 19, 68], осуществлялось на Нижнеломовском фанерном заводе с 1987 г. с применением в качестве антипирена диаммонийфосфата. Однако этот антипирен обладает низкой термостабильностью и при повышенных температурах, имеющих место в технологическом процессе производства огнезащищенной фанеры, разлагается с выделением аммиака. Практика промышленного производства показала, что локализовать или нейтрализовать выделения аммиака экономически приемлемыми способами не удается, в результате чего санитарно-гигиенические и экологические условия производства огнезащищенной фанеры ухудшаются по сравнению с производством фанеры общего назначения [31, 32]. Кроме того, с введением в действие ГОСТ Р 51690-2000 [37],оказалось, что огнезащищенная фанера на основе диаммонийфосфата не удовлетворяет нормативным требованиям по показателю токсичности продуктов горения. Обе эти проблемы можно решить путем замены диаммонийфосфата на другой антипирен - моноаммо-нийфосфат, который обладает значительно более высокими термостабильными свойствами и позволяет выпускать фанеру с требуемым уровнем токсичности продуктов горения. Огнезащищенная фанера на основе моноаммоний фосфата удовлетворяет всему набору требуемых эксплуатационных свойств: физико-механических, пожарно-технических и санитарно-гигиенических.
Моноаммонийфосфат, как антипирен, менее изучен по сравнению с диам-монийфосфатом, причем исследования моноаммонийфосфата проводили только на березовом шпоне толщиной 1,5 мм [46]. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования процессов, происходящих при пропитке шпона различных пород и толщин в водном растворе моноаммонийфосфата, имеют научную и практическую значимость. Неотъемлемой частью этих исследований следует считать определение численных значений коэффициентов диффузии.
Поскольку как для научных, так и для практических целей важно знать величину КД не в одной точке, а в некоторой области изменения входных факторов, то выходная величина КД должна быть, очевидно, представлена в виде математической модели, которую можно построить, используя методы математического планирования эксперимента. Из широкого перечня планов построения экспериментов [84], для исследования коэффициентов диффузии антипире-нов в шпоне, нами был принят 5-план второго порядка, как наиболее рациональный и широко применяемый при изучении процессов деревообработки. Реализация этого плана позволила получить регрессионные модели зависимости выходной величины (КД) от варьируемых факторов (температуры, концентрации пропиточного раствора и влажности шпона) для различных пород. Установлено, что наибольшее влияние на численное значение коэффициента диффузии оказывает температура пропиточного раствора.
Диффузионные процессы при пропитке сырого шпона в растворе антипи-рена являются доминирующими и закономерности их протекания аналогичны для производственных и лабораторных условий. Однако по ряду параметров (прежде всего геометрических и связанных с ними), реализация промышленной пропитки вносит определенные коррективы. Поэтому важной задачей, как при исследовании процессов пропитки, так и при анализе получаемых результатов, является проведение экспериментов в условиях, максимально приближенных к производственным. Такая постановка исследований позволяет расчетным путем установить режимные параметры промышленной пропитки для всего диапазона изучаемых пород и толщин шпона.
Цель работы. Целью выполненной работы являлось исследование и установление значений КД для шпона лиственных и хвойных пород в заданной области изменения технологических параметров состояния шпона и пропиточного раствора с последующим совершенствованием технологии изготовления ог-незащищенной фанеры конструкционного назначения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определены коэффициенты диффузии моноаммонийфосфата (МАФ) в шпоне лиственных и хвойных пород при пропитке в водных растворах;
- установлены зависимости коэффициентов диффузии в виде регрессионных моделей от технологических параметров пропитки;
- определены количественные характеристики компонент поглощения при пропитке шпона лиственных и хвойных пород;
- определены физико-механические и важнейшие эксплуатационные характеристики огнезащищенной фанеры, изготовленной на основе антипирена МАФ.
Практическая значимость работы заключается в установлении технологических параметров пропитки в растворе моноаммонийфосфата шпона лиственных и хвойных пород для толщин, применяемых в производстве фанеры, и внедрении результатов исследований в фанерную промышленность.
Реализация результатов исследований осуществлена на Нижнеломовском фанерном заводе, в виде промышленного внедрения технологии изготовления огнезащищениой березовой фанеры и выпуска опытно-промышленных партий огнезащищениой фанеры на основе осинового и соснового шпона.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:
1. Закономерности изменения коэффициентов диффузии моноаммонийфос-фата в шпоне лиственных и хвойных пород при изменении технологических характеристик пропиточного раствора и шпона.
2. Количественные характеристики поглощений антипирена моноаммоний-фосфата при пропитке шпона лиственных и хвойных пород.
3. Режимные технологические параметры пропитки шпона мягких лиственных и хвойных пород в растворе МАФ.
4. Промышленная технология изготовления огнезащищениой березовой фанеры конструкционного назначения и комплекс свойств нового материала.
Апробация работы: Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях МГУЛ 1998-2004 гг., 2-й международной научно-технической конференции «Композиционные материалы на основе древесины», 24-27 окт. 2000 г., Москва, совместном заседании кафедр «Технологии мебели и изделий из древесины» и «Промышленного и гражданского строительства и безопасности жизнедеятельности» в 2004 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей.
Объем работы. Работа изложена на 176 страницах (без приложений) машинописного текста, содержит 7 рисунков и 25 таблиц. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, содержит 21 приложение. Библиография включает 115 наименований отечественной и зарубежной литературы.
Анализ коэффициентов диффузии и области их исследования
Коэффициенты диффузии веществ в древесине недостаточно изучены. Особенно мало работ посвящено диффузии солей в шпоне.
В насыщенной водой древесине определены коэффициенты диффузии неорганических [104, 105, 109, ПО, 113, 114] и органических [103, 104, 112] веществ. В этом случае диффузия подчиняется закону Фика и в продольном направлении происходит в 3-30 раз быстрее, чем в поперечном.
Рядом работ установлено, что коэффициент диффузии практически не зависит от толщины образца [113] и концентрации водного раствора диффундирующего вещества, а зависит только от градиента концентрации [105 113]. С повышением температуры скорость диффузии увеличивается [52].
Шпон, как реальный физический объект, имеет пространственную структуру, поэтому наиболее точно процесс его диффузионной пропитки в растворе антипирена описывается трехмерной математической моделью, в которой учитывается прохождение диффузионного потока по трем направлениям. Методика определения коэффициента диффузии в шпоне базируется на теоретических работах, выполненных в МГУлеса, анализ которых приведем в первую очередь. В работе [22] при теоретическом исследовании процесса диффузионной пропитки разработана трехмерная модель диффузионной пропитки. На ее основе, как частный случай, построена одномерная модель этого процесса при постоянных коэффициентах диффузии и соответствующих граничных условиях, позволяющая получить необходимые аналитические соотношения для всех компонент диффузионного процесса. На основе одномерной модели разработана и методика определения коэффициентов диффузии.
Модель диффузионной пропитки может быть построена как в терминах безразмерной концентрации [22], так и в терминах размерной концентрации [19]. Экспериментальные исследования коэффициента диффузии диаммоний-фосфата в работе [ 19] дали следующие результаты для хвойных пород шпона. Максимальное расхождение значений, полученных в результате расчетов по обеим моделям, составляет 17,6 % при концентрации пропиточного раствора 17= 50 %. Минимальное расхождение составляет 4,3 % при U = 10 %. При расчете характеристик диффузионной пропитки по одной из моделей необходимо использовать и соответствующий коэффициент диффузии: Дс - коэффициент диффузии для модели в терминах размерной концентрации или Ди - коэффициент диффузии для модели в терминах безразмерной концентрации. В этой работе приводятся результаты по определению максимального значения коэффициента диффузии, коэффициент диффузии при выбранном режиме пропитки, коэффициент диффузии при пропитке шпона в холодном растворе антипирена. Установлено, что на коэффициент диффузии определяющее влияние оказывает температура пропиточного раствора, а процесс диффузионной пропитки шпона является высоко эффективным при влажности шпона выше 60 %, максимальной концентрации и температуре раствора. Одновременно с определением коэффициента диффузии проводились исследования и поверхностно-адсорбционного поглощения.
В работах [22, 90] также установлено, что величина коэффициента диффузии диаммонийфосфата при пропитке березового шпона зависит от предпро-питочной влажности шпона, температуры и концентрации пропиточного раствора. Показано, что коэффициент диффузии зависит от направления, в котором происходит диффузия, причем установлено, что коэффициенты диффузии Дх и Д-г в направлении осей д: и г, т. е. в радиальном и тангенциальном направлении, можно считать близкими по величине [22], так как в обоих случаях диффузионные потоки перпендикулярны направлению волокон образца.
При изучении пропитки шпона хвойных пород в растворе диаммонийфосфата с использованием математических методов планирования эксперимента, были определены коэффициенты диффузии для шпона сосны и ели в широкой области исследуемых параметров [19]. Полученное адекватное уравнение регрессии свидетельствует о значительном влиянии режимных параметров пропитки на величину коэффициента диффузии. При подстановке полученных коэффициентов диффузии в соответствующие модели диффузионной пропитки и сравнении экспериментальных и теоретических значений, как отмечает автор, для березового шпона относительная погрешность теоретической модели в среднем не превышает 15 % [22], а для шпона хвойных пород погрешность модели диффузионной пропитки составляет 20...30 % [19]. Удовлетворительное согласие теоретических и экспериментальных результатов свидетельствует о корректности моделирования процесса диффузионной пропитки и достоверности величины коэффициента диффузии в исследуемой области параметров, как для березового, так и для хвойного шпона, что в итоге говорит о «работоспособности» сорбционного метода определения коэффициента диффузии.
В работе [90] ограничились нахождением коэффициента диффузии диам-монийфосфата при промышленном режиме пропитки (Т= 60С, U = 50 %) для нескольких пород древесины, поскольку коэффициент диффузии здесь интересовал автора только с практической точки зрения - для инженерного расчета времени пропитки шпона в промышленных условиях. Полученные при этом значения коэффициентов диффузии для разных пород при поглощении антипи-рена Gc и влажности шпона fF представлены в табл. 1.1.
Методика выполнения экспериментальных работ по определению коэффициента диффузии
Методика экспериментальных исследований по определению коэффициента диффузии антипирена в шпоне хвойных и лиственных пород предусматривает проведение следующих этапов работ: подготовку образцов шпона; подготовку рабочего раствора и оборудования; проведение эксперимента и обработку результатов исследований. Эксперименты проводились на березовом, ольховом, липовом, осиновом, сосновом и еловом шпоне. Последовательность проведения экспериментальных работ определения КД для всех этих пород была одинаковой.
Подготовка образцов шпона заключалась в следующем. Из полноформатного промышленного листа шпона толщиной 1,5 мм вырезали заданное количество экспериментальных образцов размером ЮОх 100 мм. Такие размеры были выбраны из соображений удобства проведения экспериментальных работ.
После приготовления образцов их отсортировывали, т. к. использование «не чистых» образцов, т. е. имеющих трещины, сучки и другие дефекты, привело бы и к «не чистому» эксперименту. У отсортированных образцов измеряли толщину и влажность. Эти показатели необходимы в дальнейшем непосредственно для расчета КД. Толщина используемых образцов шпона составляла 1,5 мм для лиственных пород и 1,6 мм для хвойных пород. Для придания образцам шпона заданной влажности, предусмотренной методикой эксперимента, их вымачивали определенное время в холодной (приблизительно 20 С) или горячей (температура около 60 С) воде. После достижения каждым образцом заданной влажности (W = 60, 100, 140 %) они помещались в полиэтиленовый пакет, для сохранения и равномерного распределения влаги по всему сечению образца, и выдерживались в пакете не менее суток.
Подготовка рабочего раствора заданной концентрации заключалась в растворении расчетного количества моноаммониифосфата в расчетном количестве воды. Расчетные массы соли и воды определяли в нижеприведенной последовательности.
1. Рассчитывали плотность раствора рр, г/см3, при температуре пропитки по формуле р =р +А— , (2.1) р 100 где рв - плотность воды при температуре, которую должен иметь раствор во время проведения пропитки шпона, г/см3; значения Рв при различных температурах приведены в [95]; А - коэффициент пропорциональности, для моноаммониифосфата А = 0,61 г/см3; U- концентрация раствора, при которой необходимо проводить пропитку шпона, %.
2. Рассчитывали массу раствора тр , г, по формуле Р=РР-УР (2.2) - 40 где рр - плотность раствора при температуре пропитки, г/см3; Vp - объем раствора при температуре пропитки, см3. В эксперименте принимали Vp равным 3 литра (3000 см3), исходя из того, что в процессе пропитки концентрация раствора должна быть практически неизменной, а также для того, чтобы при пропитке образцы находились полностью в погруженном состоянии. Принятый объём (3 литра) обеспечивал требуемые условия эксперимента.
3. Необходимое количество антипирена х, г, определяли по пропорции 100 -U тр-х, U-mp отсюда масса антипирена х = ——-. 100
4. Необходимое количество воды хв, г, определяли по формуле хв = тр-х. Лабораторная установка специально готовилась для проведения работ по пропитке шпона. В состав установки для поддержания режимов пропитки входил автотрансформатор, с помощью которого регулировалось напряжение тока, подаваемого на обогреваемый прибор (плитку). На плитке была установлена стальная ванна с водой. В этой ванне вода нагревалась до заданной температуры (заданный уровень температуры обеспечивался регулировкой напряжения тока, подаваемого на электроплитку) и выполняла роль обогревателя пластмассовой емкости с раствором антипирена. В стальную ванну, наполненную водой, емкость с раствором антипирена погружалась до такого положения, чтобы уровень раствора в ёмкости был ниже уровня воды в ванне и чтобы при этом пластмассовая ёмкость с раствором не касалась дна ёмкости с водой. В ёмкость с раствором антипирена помещали кассету с плотно закрепленными листами шпона. Кассета представляет собой две (верхнюю и нижнюю) горизонтальные пластины из эбонита, к которым с внутренней стороны приклеены резиновые прокладки с пазами. В эти пазы плотно устанавливали образцы шпона, так, чтобы волокна шпона имели вертикальное направление. Затем горизонтальные
БиблийiK пластины скреплялись винтами и затягивались гайками. Горизонтальные пластины, а также винты и стягивающие гайки выполнены из материала, не подвергающегося коррозии в растворе антипирена.
Эксперимент проводили следующим образом. В кассету устанавливали образцы шпона и опускали её в ёмкость с раствором антипирена на заданное фиксированное время. Раствор предварительно нагревали до экспериментальной температуры tp, которая для различных серий опытов лежала в области 20...85 С. Для поддержания фиксированного значения температуры в ванне с водой использовали регулятор напряжения. Через заданное время (в наших экспериментах оно составляло t\ = 2cK.t2 = 900 с) кассету извлекали из раствора и после стекания раствора пропитанные образцы шпона вынимали из кассеты. Излишки раствора удаляли с поверхности шпона путем протягивания через специальное приспособление, состоящее из штатива с закрепленными на нем пластинами, затем шпон помещали в сушильный шкаф, где образцы высушивали до абсолютно сухого состояния.
Анализ характеристик процесса диффузионной пропитки шпона лиственных пород
Исследование коэффициентов диффузии антипирена при пропитке шпона имеет важное теоретическое и практическое значение. Зная конкретное значение коэффициентов диффузии для шпона различных пород древесины, можно практически без экспериментальных исследований установить значения режимных факторов пропитки шпона, обеспечивающие заданную степень огнезащиты, которая определяется величиной поглощения антипирена шпоном. Кроме режимных, т.е. управляемых, факторов (температура и концентрация пропиточного раствора, продолжительность пропитки шпона), к технологическим факторам относится содержание воды в шпоне - неуправляемый (в производственных условиях) фактор, от которого могут зависеть значения режимных факторов.
В данном разделе описаны исследования коэффициентов диффузии антипирена в шпоне лиственных пород (березы, липы, осины и ольхи) в широкой области изменения технологических факторов пропитки.
Коэффициент диффузии антипирена в шпоне является сложной физической характеристикой процесса диффузионной пропитки, который зависит от ряда параметров (см., например, табл. 3.1).
Как отмечалось, в качестве примера расчета в табл. 3.1 представлены экспериментальные и расчетные значения этих параметров и КД для березового шпона, полученные с помощью компьютерной программы. В этой таблице приведены также исходные данные для расчета, например, температура пропиточного раствора Т = 81,5 С, концентрация пропиточного раствора V = = 43,5 %. Для эксперимента, выполненного при этих исходных данных, рассчитали экспериментальные численные значения поглощения антипирена шпоном при времени пропитки t\ = 1 с и ti = 900 с, причем G(t\) - поглощение антипирена для момента времени t\ = 2 с в расчетах взято как среднее из трех значений, полученных в результате отдельно проведенного эксперимента. Так, для условий пропитки, представленных в табл. 3.1, G(t\) = 4,8 %.
Следует отметить, что получение точных (заданных планом эксперимента - см. табл. 2.3) значений предпропиточной влажности шпона является очень трудоемкой задачей. Поэтому в эксперименте ограничились получением влажности, приближенной к 60, 100 и 140 %. Значения влажности образцов в каждом опыте приведены в табл. 3.1.
Таких таблиц получено 15 в соответствии с числом опытов в плане эксперимента. В каждой таблице опыт повторяется 10 раз. Эти таблицы приведены в приложении. Для всех лиственных пород получено 60 таких таблиц.
В качестве расчетных значений по определению КД в табл. 3.1 представлены численные значения: адсорбционно-капиллярного поглощения G„, диффузионной компоненты Gcdi степени насыщения образца солью о , а также отношение степени поглощения образца солью с к параметру d(Up), относительное время пропитки ц и численные значения КД. Необходимо отметить, что для удобства пользования материалом, приведенным в таблицах, обозначения параметров выполнены в двух вариантах - в компьютерном и в обычном, применяемом в математической модели. В скобках указаны обозначения, применяющиеся в расчетных формулах модели. Анализ данных, приведенных в табл. 3.1, показывает, что физические характеристики процесса диффузионной пропитки имеют достаточно стабильные значения в изучаемой точке. Вместе с тем необходимо отметить сложность исследуемого объекта, которая обусловлена наличием дополнительной пористой структуры - лущильных трещин, размеры и количество которых зависят от свойств древесины, качества выполненной гидро термической обработки, режимных параметров лущения и др. Состояние поверхности шпона также в значительной мере влияет на характеристики диффузионной пропитки.
На основе полученных данных были сформированы табл. 3.2 - 3.5, в которых приведены характеристики процесса диффузионной пропитки шпона лиственных пород. Наибольший интерес для анализа представляют результаты исследований, приведенные именно в этих таблицах, охватывающих всю область исследований и все изучаемые лиственные породы древесины.
Проведем анализ этих исследований, на примере березового шпона - см. табл. 3.2. В указанной таблице даны сводные показатели варьируемых факторов эксперимента, значения промежуточных расчетных величин (физических характеристик процесса пропитки), а также значения конечной величины, т. е. коэффициентов диффузии при пропитке березового шпона в растворе моноаммо-нийфосфата.
Основным количественным показателем процесса диффузионной пропитки является величина поглощения антипирена шпоном. В табл. 3.2 приведены значения общего (суммарного) поглощения {Gc), а также составляющих этого поглощения: диффузионной и поверхностно-адсорбционной компонент поглощения (соответственно Gcd и G„), Параметры общего поглощения Gc и его диффузионной составляющей Gcd имеют явно выраженную зависимость от исходных варьируемых факторов (температуры и концентрации пропиточного раствора и влажности шпона) в виде возрастающей функции. Рассмотрим, например, фактор влажности шпона перед пропиткой (W). Его влияние можно проследить достаточно четко, поскольку в матрице планирования эксперимента есть несколько точек с одинаковыми позициями по факторам температуры (Т) и концентрации (60 пропиточного раствора и отличающимися по значениям влажности шпона. Это такие точки, как: 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6; 7 и 8; 13 и 14. Из экспериментальных данных видно, что с увеличением влажности шпона возрастает величина Gc и GCd
Разработка промышленных режимов пропитки шпона лиственных и хвойных пород
Учитывая достаточно простой вид полученных уравнений регрессии, можно изобразить зависимость коэффициента диффузии от температуры и концентрации раствора на графике. Графическое изображение делает наглядными результаты исследований и, кроме того, позволяет быстро и без расчетов определить коэффициент диффузии по заданному состоянию пропиточного раствора и породе шпона.
Графические зависимости можно показать, например, в координатах Д, Т, построив ряд линий, каждая из которых соответствует определенному значению концентрации U раствора. В качестве примера на рис. 3.2 показаны такие зависимости для шпона березы. На этом рисунке видно, что все значения коэффициентов диффузии находятся в области параллелограмма KLMN. Построение этой графической области изменения коэффициентов диффузии осуществлялось с применением метода секущих плоскостей, которыми можно разбить область исследования (прямоугольник ABCD на рис. 2.1) на любое интересующее нас число частей. Секущие плоскости проводятся при этом параллельно оси Г, т.е. каждой плоскости соответствует только одно значение концентрации раствора. В рассматриваемом примере плоскости проводили, начиная с концентрации 10 % и далее через каждые 10 % (т.е. 20, 30, 40 и 50 %). Кроме того, секущие плоскости провели через вершины прямоугольника ABCD - значения концентрации для этих плоскостей составили 27 %, 35 % и 52,5%.
В разделе 3.3.2 было получено регрессионное уравнение коэффициента диффузии для березового шпона, которое имеет следующий вид Д6 = (0,533 + 0.014Т+ 0,006/) Ю-10 . (3.39)
Подставляя в это уравнение значения Г и U, соответствующие точкам пересечения прямоугольника ABCD и секущих плоскостей, и откладывая полученные значения коэффициентов диффузии на графике Д, Г (см. рис. 3.2), получим область, внутри которой находятся значения коэффициентов диффузии для любой точки, расположенной внутри прямоугольника ABCD (рис. 2.1).
Последовательность проведения секущих плоскостей была принята "снизу - вверх", т. е. от наименьшей концентрации к наибольшей.
Первая секущая плоскость проходит через точку А (рис. 2.1) с координатами U= 10 %, Т=27,5 С. Подставляя эти величины в уравнение (3.39), получим значения коэффициента диффузии для точки А Дб = (0,533 + 0,014 27,5 + 0,006 10) - 10 10 = 0,978 - 10",0(м2/с). Отметим это значение на рис. 3.2 и обозначим его, как точку К. Вторая секущая (U = 20 %) пересекает прямоугольник ABCD в точках с координатами U = 20 %, Г = 23 С и U = 20 %, Т = 56 С. Значение коэффициентов диффузии будет равно соответственно Д6 = (0,533 + 0,014 23 + 0,006 20) 10 10 = 0,975 10"10 (м2/с); Д6 = (0,533 + 0,014 - 56 + 0,006 20) 10 10 = 1,437 10-ш(м2/с). Полученные значения отметим значками на рис. 3.2. Третья секущая плоскость проходит через второй угол прямоугольника ABCD точку В (рис. 2.1), при этом пересечение прямоугольника плоскостью происходит в точках с координатами U = 27 %, Г = 20 С и U = 27 %, Т = = 66 С. Значения коэффициентов диффузии в этих точках будут соответственно равны Дб = (0,533 + 0,014 20 + 0,006 27) 10" = 0,975 10-10(мг/с); Д6 = (0,533 + 0,014 -66 + 0,006 -27)- Ю-10 =1,619- 10"IO(M2/C). Четвертая секущая плоскость проходит на уровне U = 30 %, при этом крайние точки пересечения исследуемой области (ABCD - рис. 2.1) и секущей плоскости имеют координаты: U = 30 %, Т = 27 С и V = 30 %, Т = 73 С, а коэффициенты диффузии в этих точках будут соответственно равны Дб = (0,533 + 0,014 -27 + 0,006- 30) 10_10= 1,091 10-,0(м2/с); Дб= (0,533 + 0,014 73 + 0,006 - 30) - 10"10 = 1,735 10- (м2/с). Пятая секущая плоскость проходит через точку D (рис. 2.1), с координатами U = 35 %, Т = 85 С. Вторая точка пересечения прямоугольника ABCD имеет координаты U = 35 %, Т = 38 "С. Коэффициенты диффузии в этих точках будут равны Дб = (0,533 + 0,014 -38 + 0,006- 35) 1(Г0= 1,275 - 10"10(м2/с); Д6 = (0,533 + 0,014 - 85 + 0,006 - 35) Ю-10 = 1,933 10-,0(м2/с). Шестая секущая плоскость, пересекая прямоугольник ABCD образует на его границах точки с координатами V = 40 %, Т = 49 С и U = 40 %, Г = = 83 С, при этих значениях коэффициенты диффузии будут равны Д6 = (0,533 + 0,014 49 + 0,006 40) Ю-10 = 1,459 10-0(м2/с); Дб = (0,533 + 0,014 83 + 0,006 40) 10"w = 1,935 10_10(M2/C). Седьмая секущая плоскость при пересечения границ прямоугольника ABCD образует точки с координатами U = 50 %, Т = 72 С и U = 50 %, Т = = 78,5 С, в которых коэффициент диффузии будет равен Дб = (0,533 + 0,014 72 + 0,006 50) Ю-10 = 1,841 - 10 10(м2/с); Дб = (0,533 + 0,014 78,5 + 0,006 - 50) - Ю"10 = 1,932 10",0(м2/с.) Восьмая секущая плоскость проходит через точку С прямоугольника ABCD (рис. 2.1), с координатами U— 52,5 %, Т= 77,5 С, в которой коэффициент диффузии будет равен Дб = (0,533 + 0,014 77,5 + 0,006 52,5) 10 10 = 1,933 10- (м2/с) Отметив все найденные точки на рис. 3.2, получаем графическое изображение области изменения коэффициента диффузии при пропитке березового шпона в растворе моноаммонийфосфата.
Построенное графическое изображение в указанных координатах имеет вид отрезков. Каждый отрезок представляет собой линейную зависимость КД от температуры при постоянной концентрации раствора, т.е. при концентрациях U= 10 %, 20 %...52,5 %. Отрезки расположены относительно друг друга параллельно, что указывает на линейную зависимость КД от температуры и концентрации. Таким образом построенная область изменения КД в зависимости от температуры и концентрации пропиточного раствора представляет собой семейство прямых линий, позволяющих определить коэффициенты диффузии в диапазоне (0,97...1(93)-10"i0 м2/с. Практическая ценность приме нения графика заключается в том, что, зная численные значения температуры и концентрации, можно легко и довольно точно определить численное значение КД без проведения дополнительных экспериментов и расчетов. Допустим, нам нужно определить коэффициент диффузии моноаммонийфосфата при пропитке березового шпона в растворе с температурой 36 С и концентрацией 27 %. Для этого, из точки с температурой 36 С (см. рис. 3.2) проводим перпендикуляр до его пересечения с линией концентраций U = 21 %. На оси ординат находим численные значения КД, соответствующие полученной точке пересечения, а именно: Д= 1,2-10 ,0м2/с. Аналогичным образом можно найти необходимые численные значения КД с учетом того, что параметры температуры и концентрации не должны выходить за пределы области параллелограмма KLMN.
Аналогичным образом были рассчитаны и построены графики области изменения коэффициента диффузии при пропитке шпона в растворе моноаммонийфосфата для других лиственных пород (приведены в приложении №11). Анализ этих графиков показывает, что они имеют одинаковый вид -параллелограмм, следовательно, при пропитке шпона разных пород в них протекают близкие процессы взаимодействия древесины и антипирена.
