Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка концепции развития производства композиционных материалов 19
1.1. Современное состояние и перспективы развития производства композиционных материалов. 19
1.2. Потенциальные источники образования костры льна 25
1.3. Анализ влияния свойств наполнителя на эксплуатационные характеристики композиционных материалов 31
1.4. Влияние размерно-качественных характеристик частиц наполнителей на свойства композиционных материалов 36
1.5. Характеристика костры льна как наполнителя композиционных материалов 39
1.6. Необходимость совершенствования качества осмолення костры льна клеевыми составами на основе синтетических олигомеров 74
1.7. Использование олигомеров фуранового ряда в производстве композиционных материалов 76
1.8. Выводы 89
2. Системный анализ производства композиционных материалов 92
2.1. Общая логика системного подхода к проблеме повышения эффективности производства композиционных материалов 92
2.2. Системный подход к организации производства композиционных материалов 93
2.3. Разработка функционально-информационной структуры системы управления производством композиционных материалов 98
2.4. Выводы 104
3. Методическая часть 105
3.1. Материалы 105
3.2. Определение величины удельной наружной поверхности частиц наполнителей композиционных материалов 106
3.3. Определение поверхностного натяжения адгезивов, используемых в производстве композиционных материалов 109
3.4. Определение краевого угла смачивания адгезивов, используемых в производстве композиционных материалов 112
3.5. Исследование реологических свойств отвержденных клеевых композиций и наполнителей 116
3.6. Изготовление образцов композиционных материалов и оценка их физико-механических свойств 124
3.7. Оценка токсичности плитных материалов на основе фурановых смол 124
3.8. Построение и обработка экспериментальных планов 128
4. Разработка рекомендаций по повышению смачивания и адгезии при производстве композиционных материалов 129
4.1. Теоретические основы адгезии 129
4.2. Основные положения теории склеивания древесных материалов 133
4.3. Определение поверхностного натяжения адгезивов, используемых в производстве композиционных материалов 138
4.4. Определение краевого угла смачивания адгезивов, используемых в производстве композиционных материалов 140
4.5. Определение поверхностного натяжения костры льна теоретическим методом 149
4.6. Определение поверхностного натяжения костры льна графическим методом 154
4.7. Оценка работы адгезии модифицированных клеевых составов 158
4.8. Исследование физико-механических характеристик композиционных материалов на основе костры льна путем модификации клеевых составов спиртами 171
4.9. Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов на основе костры льна путем модификации клеевых составов поливинилацетатной дисперсией 173
4.10. Оценка реологических свойств модифицированных клеевых составов 182
4.11. Выводы 187
5. Оценка влияния технологических факторов на свойства костроплит 189
5.1. Выбор варьируемых факторов 189
5.2. Планирование эксперимента 190
5.3. Проверка однородности дисперсий 192
5.4. Расчет коэффициентов уравнений регрессии 194
5.5. Проверка адекватности математических моделей 198
5.6. Проверка эффективности математических моделей 200
5.7. Перевод уравнений регрессии из нормализованных обозначений факторов в натуральные 201
5.8. Оптимизация математических моделей 202
5.9. Выводы 202
6. Технология и режимы производства композиционной фанеры 205
6.1. Разработка технологии производства композиционной фанеры... 205
6.2. Выбор управляемых факторов, влияющих на свойства композиционной фанеры 216
6.3. Планирование эксперимента 217
6.4. Проверка однородности дисперсий 219
6.5. Расчет коэффициентов уравнений регрессии 219
6.6. Оценка значимости коэффициентов уравнений регрессии 221
6.7. Проверка адекватности математических моделей 223
6.8. Проверка эффективности математических моделей 225
6.9. Перевод уравнений регрессии из кодированных обозначений факторов в натуральные 225
6.10. Оптимизация математических моделей 226
6.11. Выводы 227
7. Применение фурановых олигомеров в производстве композиционных материалов 230
7.1. Исследования по отработке рационального режима синтеза фурфурол-ацетонового мономера ФА 230
7.2. Термодинамические и реологические свойства мономера ФА 235
7.3. Физико-механические свойства плитных материалов на основе фурфуролацетонового мономера ФА 242
7.4. Оценка токсичности плитных материалов на основе фурановых смол 244
7.5. Выводы 246
8. Технико-экономические показатели и внедрение результатов исследований 248
8.1. Применение разработанных рекомендаций в производстве композиционных материалов 248
8.2. Внедрение результатов исследований в учебный процесс..249
8.3. Расчет экономической эффективности производства композиционной фанеры...-. 250
8.4. Оценка конкурентоспособности композиционных материалов на основе костры льна 255
Заключение 261
Библиографический список 264
Приложения 289
- Анализ влияния свойств наполнителя на эксплуатационные характеристики композиционных материалов
- Системный подход к организации производства композиционных материалов
- Определение величины удельной наружной поверхности частиц наполнителей композиционных материалов
- Определение поверхностного натяжения адгезивов, используемых в производстве композиционных материалов
Введение к работе
В настоящее время перед отечественным производством древесных композиционных материалов стоят следующие основные задачи: восстановление и увеличение объемов производства, увеличение конкурентоспособности и повышение качества выпускаемой продукции, снижение материалоемкости производства, снижение токсичности клееной продукции, улучшение качества поверхности плитных материалов, подлежащих; организация эффективной переработки образующихся отходов.
Развитие глубокой переработки древесины, повышение качества и ассортимента выпускаемой продукции, повышение эффективности функционирования деревообрабатывающих предприятий и решение ряда других вопросов невозможно без совершенствования производства композиционных материалов.
Выпуск композиционных материалов с высокими показателями физико-механических свойств и требуемыми экологическими показателями делает их незаменимыми в мебельном производстве, авто-, вагоно-, контейнеростроении, в строительстве и других сферах. Развитие и прогнозирование эксплуатационных свойств возможно лишь при глубоком понимании физико-химических процессов, происходящих на различных стадиях производства композитов [18,116]. Изучение основ физико-химических процессов совмещения исходных компонентов композиционных материалов, а также структурообразования материала на различных стадиях технологического процесса позволяет не только вникнуть в суть происходящих явлений, но и определить влияние технологических факторов на физико-механику получаемых композитов, а также управлять технологией с целью выработки материалов с комплексом заданных свойств [179].
В настоящее время наметилась тенденция к увеличению объемов выпускаемой клееной продукции, что связано с внедрением новых технологий и технологических линий. Однако выпускаемая продукция с точки зрения эксплуатационных свойств не всегда отвечает предъявляемым требованиям, а также отличается относительно высокой стоимостью.
Древесина, как основное сырье и синтетические материалы, используемые в качестве связующих, в основном определяют конечные свойства композиционных материалов и являются мощным экономическим рьлагом в современных рамках работы предприятий. В производстве различных композиционных материалов в среднем около 50% затрат на производство единицы продукции приходится на сырье и материалы [128]. Как правило, стоимость фанерного сырья в структуре себестоимости фанеры составляет 40... 45% [196], стоимость • сырья в производстве древесностружечных плит составляет 25...30% [195]. Снижение материалоемкости производства композиционных материалов - основной путь повышения эффективности его функционирования.
Вовлечение в производство композиционных материалов всех возможных отходов лесопиления, деревообработки, лесозаготовок, и перерабатывающих производств сельского хозяйства, как правило не дорогих по стоимости, также способствует снижению себестоимости продукции и позволяет эффективно утилизировать образующиеся отходы [197].
В настоящее время отходы сельскохозяйственного производства (костра льна, конопли, солома, отходы переработки зерновых культур и т.п.) не находят широкого применения в производстве клееных материалов. Как правило, дискретные сельскохозяйственные отходы (в частности, костра) сжигаются для производства теплоэнергии или вывозятся на поля запахивания. В то же время они являются дешевым сырьем для производства плит и других прессованных материалов высокого качества.
Проблемам углубленной переработки льна и эффективной утилизации отходов льнопроизводства в настоящее время уделяется серьезное внимание на государственном уровне. В соответствии с «Основами политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и на дальнейшую перспективу» глубокая переработка льна входит самостоятельным блоком в поз. 49 Перечня «критических технологий» -области отечественных технологических разработок, на реализацию которых должна быть сделана основная ставка отечественных государственных и частных инвесторов [8].
Главные препятствия на пути эффективного применения отходов сельского хозяйства в плитном производстве - отсутствие специализированных мощностей по их переработке, нерациональное расположение и разбросанность источников образования отходов. Сбор и транспортирование отходов на крупные предприятия зачастую затруднены и экономически невыгодны.
Для наиболее полного вовлечения сельскохозяйственных отходов в промышленное производство целесообразно наряду с крупными предприятиями создавать мелкие производства по выпуску плитных материалов. Это позволит увеличить выпуск материалов для строительства и мебельного производства, снизить или исключить транспортные затраты на перевозку сырья, утилизацию и сжигание отходов, улучшить экологическую обстановку.
Для обоснованной рекомендации технических и технологических мероприятий по производству композитов с использованием костры нужен научный подход к проблеме формирования клеевых соединений частиц наполнителя со связующим, базирующийся на анализе существующих теорий адгезии, поверхностных явлений и смачивания с привлечением коллоидной химии и реологии полимеров. Теоретическими вопросами смачивания, адгезии и формирования клеевых соединений занимались российские и зарубежные ученые: А. Адамсон, Н.К. Адам, В.И.Азаров, В.Е. Басин, А.А. Берлин, Ю.В. Горюнов, С. Грег, Б.В. Дерягин, Н.А. Кротова, В.П. Смилга, А.Д. Зимон, В.Д. Кузнецов, Ю.Г. Фролов, А.А.Леонович, А.А. Лопаткин, P.P. Майерс, A.M. Михайлов, А.С. Фрейдин, В.Е. Цветков и др. На основании проведенного анализа научных трудов российских и зарубежных
і ученых в области создания композиционных материалов следует вывод, что на сегодняшний день в отечественной науке отсутствует теоретическое обоснование создания клеевых соединений специального адгезионного назначения (для производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна). Поэтому развитие теории композиционных материалов в данном направлении с разработкой рекомендаций по модификации клеевых составов является актуальной научной задачей, что и определило выбор темы настоящего диссертационного исследования.
Актуальность работы. Задачей промышленности по производству композитов является снижение материалоемкости, расходов сырья и материалов на изготовление 1 м3 продукции. Рассмотренные в работе организационно-технические мероприятия по повышению качества композиционных материалов, уменьшения себестоимости продукции являются актуальными прежде всего в связи с тенденцией вступления России в ВТО и внедрения выпускаемой продукции на внешний рынок.
Основой развития и совершенствования производства композиционных материалов является выпуск конкурентоспособной продукции широкого ассортимента и в объемах, обеспечивающих потребности внутреннего рынка России, а также экспорта продукции.
Работа выполнялась:
1. В соответствии с тематическими планами госбюджетных научно исследовательских работ в рамках единого заказ наряда:
- Исследование и разработка технологических режимов производства клееных композиционных материалов на основе древесных и растительных наполнителей (№ ГР 01.200.2 02 809);
г Исследование и разработка технологических режимов производства композиционной фанеры (№ ГР 0120.0 600189);
2. По грантам Министерства образования и науки РФ, Российского фонда
фундаментальных исследований: - Исследование и разработка режимов производства фанеры и плитных
материалов на основе фурановых смол (№ ГР 01.200.100 716);
- Разработка технологий производства фанеры и плитных материалов на основе фурановых смол (№ ГР 01.200.2 02 810);
- Разработка технологий производства низкотоксичных материалов и плит (№ ГР 01.200.1 13 518);
- Разработка теории производства композиционных материалов конструкционного назначения на основе костры льна (грант РФФИ №08-08-99073-р_офи).
Цель работы — научное обоснование и разработка ресурсосберегающей технологии создания новых видов композиционных материалов на основе древесных наполнителей, костры льна и синтетических олигомеров.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, отражающие логику диссертационного исследования:
1. Проведение системного анализа проблемы повышения эффективности функционирования производства композиционных древесных материалов на основе изучения современной теории системного анализа и синтеза, анализ структурных объектов и элементов производства композитов с применением инженерно-технического инструментария. Оценка эффективности функционирования производства композиционных материалов.
2. Обоснование основных закономерностей явлений смачивания, адгезии, поверхностных явлений и формирования клеевых соединений в структуре композиционных материалов на основе целлюлозосодержащих наполнителей и клеевых составов на основе синтетических олигомеров.
3. Экспериментальная оценка термодинамических свойств и их влияния на процесс склеивания древесных наполнителей и костры льна связующими на основе синтетических олигомеров.
4. Разработка практических рекомендаций по повышению смачивающей способности традиционных синтетических олигомеров по отношению к костре льна и направленному изменению физико-химических свойств клеевых композиций. Подбор рецептур модифицированных клеевых композиций, обеспечивающих полное смачивание и равномерное осмоление частиц костры, высокие свойства и качество готовой продукции.
5. Экспериментальное определение реологических свойств древесных наполнителей, костры льна и модифицированных клеевых составов. Оценка совместимости клеев и костры льна с точки зрения сопоставимости их реологических характеристик.
6. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологических процессов производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна. В требованиях к модернизации существующих и разработке новых технологий накладываются обязательные условия -снижение материалоемкости, повышение экономической эффективности производства, физико-механических характеристик продукции, улучшение производства и обеспечение низких показателей содержания и выделения вредных веществ из продукции, придание композиционным материалам специальных свойств.
7. Оценка влияния основных технологических факторов на свойства композиционных материалов на основе костры льна путем реализации экспериментальных планов. Разработка технологий производства композиционных материалов на основе костры льна, рациональных режимов и технологических инструкций их производства.
Объектом исследования является производство композиционных материалов, включающих древесные наполнители.
Предметом исследования является технология производства композиционных материалов конструкционного назначения на основе древесных наполнителей, костры льна и синтетических олигомеров. Методологической основой диссертационного исследования послужили методы системного анализа и синтеза, теории смачивания, адсорбции и адгезии жидкостей по отношению к твердым телам, теории факторного эксперимента и регрессионного анализа, математические методы статистического анализа. Поставленные задачи решались с применением современных компьютерных систем автоматического проектирования, графических и вычислительных программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях по принятым методикам и планам экспериментов.
Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы заключается в теоретическом обосновании и разработке ресурсосберегающей технологии создания новых видов композиционных материалов на основе древесных наполнителей, костры льна и синтетических олигомеров.
Научная новизна состоит в следующем:
1. Проведен целостный анализ эффективности функционирования производства композиционных древесных материалов, его структурных объектов и элементов с применением инженерно-технического инструментария на основании которого сформулированы цели, задачи и направления повышения эффективности функционирования производства новых видов композиционных материалов.
2. Разработана методика определения смачивающей способности и определения поверхностного натяжения основных компонентов новых видов композиционных материалов.
3. Рассмотрены вопросы смачивания, адгезии и поверхностных явлений применительно к производству новых композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна, в результате чего разработаны рецептуры клеевых композиций на основе традиционных синтетических олигомеров с введением в их состав модификаторов с целью повышения их смачивающей способности и адгезионных свойств.
4. Оценена смачивающая способность модифицированных олигомеров, реологические характеристики отвержденных модифицированных олигомеров. Определена совместимость предложенных клеевых композиций и основных наполнителей новых композиционных материалов с точки зрения сопоставимости их реологических характеристик.
5. Определено влияние основных технологических факторов на физико-механические характеристики новых композиционных материалов.
6. Разработаны математические модели влияния основных технологических факторов на свойства композиционных материалов на основе костры льна. Рекомендованы рациональные технологические режимы их производства на основе математической обработки результатов экспериментальных планов.
7. Разработаны организационные, технические и технологические рекомендации по совершенствованию технологических процессов производства новых композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна.
Соответствие темы и содержания диссертации требованиям паспорта специальности ВАК. В рамках специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки» положения диссертации соответствуют следующим областям исследований: 2. «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки, с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции»; 4. «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины»; 6. «Исследование и разработка связующих, клеев и лаков для технологии различных деревообрабатывающих производств»; 7. «Разработка методов оптимизации конструктивных параметров и режимов работы технических систем и средств в деревообрабатывающих производствах по различным критериям»; 8. «Разработка методов оценки и управления качеством, обоснования технических показателей и их уровней, эффективности технического обслуживания отдельных агрегатов, оборудования, поточных и автоматических линий».
Основные научные положения, выносимые на защиту можно классифицировать как научно обоснованные организационные, технические и технологические решения, направленные на разработку ресурсосберегающей технологии создания новых видов композиционных материалов на основе древесных наполнителей, костры льна и синтетических олигомеров. Внедрение этих положений вносит значительный вклад в решение проблем функционирования и развития организации производства композиционных материалов, а также повышения конкурентоспособности продукции.
Указанные положения включают:
1. Концепцию повышения эффективности производства композиционных древесных материалов.
2. Теоретические закономерности явлений смачивания, адгезии, поверхностных явлений и формирования клеевых соединений в структуре новых композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна.
3. Теоретические и практические результаты исследований, направленных на повышение смачивающей способности синтетических олигомеров по отношению к костре льна.
4. Результаты исследований термодинамических явлений и их влияния на процесс склеивания древесных наполнителей и костры льна клеевыми составами на основе синтетических олигомеров.
5. Результаты исследований по модификации синтетических олигомеров применительно к производству композиционных материалов на основе костры льна, оценке свойств готовой продукции. 6. Математические модели, оценивающие влияние основных технологических факторов на свойства композиционных материалов на основе костры льна.
7. Рекомендации по организации технологических процессов производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна, включающие обоснованные рациональные технологические режимы и технологические инструкции.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке ресурсосберегающей технологии производства новых композиционных 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, ОАО «Мантуровский фанерный комбинат».
Теоретические положения производства композиционных материалов на основе различных наполнителей и методики экспериментальных исследований, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология композиционных материалов», «Технология полимеров», а также при подготовке аспирантов.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в докладах автора на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» в 1996, 1998, 2002, 2004 гг. (г. Кострома); международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона» в 2006, 2008 гг. (г. Кострома); международной научно-технической конференции «Композиционные материалы на основе древесины» в 2000 г. (г. Москва); международной научно-технической конференции «Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века» в 2000 г. (г. Брянск); международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» в 2005, 2006, 2007, 2008 гг. (г. Брянск); международной научно-практической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов» в 2001 г. (г. Йошкар-Ола); всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» в 2004, 2007 гг. (г. Вологда); международной научно-технической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс» в 2007 г. (г. Владивосток); всероссийских научно-технических конференциях «Студенты и молодые ученые университета - развитию науки и производства Костромской области» в 1999, 2000, 2001, 2006, 2007, 2008 гг. (г. Кострома); всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука — региону» в 2008 г. (г. Вологда).
Материалы диссертации доложены и обсуждены на профессорских семинарах Костромского государственного технологического университета в 2006, 2007, 2008 гг, семинаре Координационного совета (г. Москва) в 2008 г., расширенном заседании кафедры механической технологии древесины Костромского государственного технологического университета, кафедры технологии производства древесных плит и пластиков Московского государственного университета леса в 2006, 2007, 2008 гг.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 104 работы, в том числе 1 монография, 19 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 42 статьи в рецензируемых журналах и сборниках научных трудов, 3 патента на изобретения, 2 учебных пособия с грифом УМО, 5 отчетов по НИР. Общий объем публикаций - 57,5 печатных листов, из них авторских -37,5 печатных листов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, содержит 288 страниц основного машинописного текста, в том числе 67 таблиц, 63 рисунка. Библиографический список включает 261 наименований. В приложении на 84 страницах приведены материалы научно-технической документации и акты внедрения.
Анализ влияния свойств наполнителя на эксплуатационные характеристики композиционных материалов
К основным факторам, которые влияют на свойства композиционных материалов, относятся: природа сырья (порода древесины или однолетнего растения), вид сырья, тип полученных дискретных частиц, вид связующего, его количество и распределение между слоями, вид и количество специально используемых добавок, уровень и распределение влаги в ковре, распределение плотности по слоям, распределение и ориентация частиц наполнителя в слоях плиты, плотность готовых материалов [89,195,247].
Почти все параметры в той или иной мере взаимодействуют друг с другом. Изменение в производственном процессе одного из них приводит к изменению других. Следовательно, каждый из параметров нельзя рассматривать изолированно, считая, что его легко изменить по своему усмотрению для регулирования процесса производства. Если понять связь между рядом параметров, можно глубже постичь сущность процесса производства композиционных материалов и успешно регулировать его.
Из всех вышеперечисленных параметров в данном производстве особо важную роль играет порода древесины [128,140]. Она определяет, насколько низкой может быть плотность готовой продукции. Порода древесины в значительной мере определяет тип частиц, которые можно получить с экономически выгодной точки зрения. Состав и количество связующего также определяется породой древесины. При использовании некоторых пород следует более точно регулировать содержание влаги, в противном случае плита вздуется и расслоится. Из некоторых пород получаются древесные частицы с очень гладкой поверхностью.
Порода древесины — наиболее важный фактор, с которым следует считаться, особенно если в процессе производства участвует несколько пород [11]. Когда на заводе работают с одним видом породы или с двумя одинаковыми видами, значение породы как основного параметра снижается для этого производства при условии, что готовые плиты отвечают требуемому качеству. Однако это редкий случай. Основная тенденция в развитии плитного производства — смешивание лиственных и хвойных пород древесины с различной плотностью.
Проблему использования различных пород в производстве плит можно рассматривать с точки зрения изменений от породы к породе и изменений внутри пород. Некоторые из основных параметров пород следующие: плотность, кислотность, влажность древесины; количественное содержание экстрактивных веществ, посторонних включений; место произрастания; сезонные изменения и практика поставок.
Использование в производстве композиционных материалов древесины с малой плотностью позволяет получить плотную упаковку частиц наполнителей с большим количеством клеевых прослоек. Прочность плит в этом случае больше, чем при использовании пород с более высокой плотностью [83]. С данной точки зрения использование костры льна, обладающей сравнительно невысокой плотностью, будет обеспечивать получение материала с плотным прилеганием частиц друг к другу и формированием высокой прочности.
В производстве плитных композиционных материалов предпочитают использовать сравнительно легкие породы древесины, так как их можно уплотнять для получения материалов средней плотности. При этом образуется достаточное число контактов между частицами во время процесса прессования для получения хорошего соединения. Более тяжелые породы не поддаются уплотнению с хорошим соединением частиц в плиты средней плотности. Необходимо некоторое дополнительное давление, чтобы уплотнить пакет в плиту и получить между частицами максимальный контакт. Требуемое давление связано с соотношением (коэффициентом) плотностей плиты и породы. Для определения пригодности породы в производстве плит средней плотности нормальным можно считать соотношение 1,3:1,0 (порода принята за единицу) [128]. Если продукция с высокой плотностью изготовлена из мягких пород древесины, это соотношение сильно увеличивают, особенно для пород с более низкой плотностью, например сосны. При пересчете сосны на единицу плотности плита будет иметь соотношение приблизительно 2,9:1,0. Данная плита будет иметь гораздо более высокие прочностные свойства при изгибе, повышенную жесткость, чем плита средней плотности. Частицы из пород древесины с более высокой плотностью дают плиты с высокой плотностью. Такие плиты будут иметь и высокую прочность. Однако большая масса и трудности в механической обработке препятствуют широкому использованию такой продукции для обычных целей.
Частичным решением проблемы использования пород с высокой плотностью служит смешивание их с породами с более низкой плотностью для получения смеси пород средней плотности. При этом производят специальную продукцию с высокой плотностью, но ее изготовляют обычно в сочетании с породами более низкой плотности, такими как пихта и сосна. Породы с высокой плотностью (до 650 кг/м ) успешно используют для производства различных видов ДВП.
К основным породам, активно используемым в настоящее время, относятся основные виды дугласовой сосны и подобные другие хвойные породы — красная или черная сосна, лиственница, белая сосна, белая пихта, ель, гигантская туя и др. Породы с цветным оттенком или более темные по цвету в производстве плит обычно используют отдельно. Другие широко используемые породы — это осина и южные лиственные породы в смеси.
Таким образом, до сих пор промышленность стремится использовать хвойные и лиственные породы с относительно низкой плотностью, что выгодно с точки зрения достижения требуемых физических свойств плит с относительно низкой плотностью. Колебания в плотности сырья, поступающего на предприятие, создают серьезные технологические проблемы, прежде всего на стадиях измельчения и сушки, поскольку в этом случае сложно обеспечить стабильность размерно-качественных характеристик и влажность частиц, происходит неравномерное впитывание связующего, колебания насыпной массы, комкование, что влияет на свойства готовых плит. При этом особенности производства материалов с использованием недревесных наполнителей и, в частности, костры остаются мало изученными.
Важный параметр в производстве композитов - кислотность породы древесины, измеряемая величиной рН и буферной способностью [179,247]. Для эффективного использования связующих, экономичных и подходящих для той или иной операции, необходимо получить соответствующие состояния в стружечной массе для отверждения связующих. Это особенно важно там, где используют карбамидоформальдегидные связующие. Качественное склеивание древесных частиц зависит от поддержания определенного уровня рН в пакете. В некоторых случаях этого можно достигнуть в самом связующем, в других случаях необходимо добавить в связующее отвердитель до или после нанесения его на частицы. Простое добавление отвердителя требуется для карбамидных связующих при использовании их в породах древесины с низким рН для того, чтобы избежать очень короткого срока хранения связующих с большими добавками отвердителя. Применение пород с различными химическими показателями затрудняет обеспечение необходимого связующего на заводе по производству плит.
Системный подход к организации производства композиционных материалов
Композиционные материалы, изготовленные на основе различных целлюлозосодержащих (главным образом, древесных) наполнителей в смеси с синтетическими или минеральными вяжущими являются не только основными материалами для мебельной промышленности, строительства, авто-, вагоно-, контейнеростроения и других отраслей, но и неотъемлемым звеном в системе комплексной переработки древесины, причем это характерно не только для России, но и для всего мира в целом. Отмеченный в конце XX века дефицит древесного сырья сохраняется и в XXI веке. Многие специалисты считают основным направлением покрытия этого дефицита переработку вторичных древесных ресурсов, а также отходов сельскохозяйственного производства. Производство композиционных материалов является универсальным и совершенным с точки зрения возможностей использования и переработки сырьевых ресурсов. Так, располагая минимальным набором стружечных станков, цеха по производству плитных материалов (древесностружечных, древесноволокнистых, цементностружечных и др. плит) могут работать на разнообразном сырье и давать высокую прибыль при высоком коэффициенте использования сырья.
Разработанные в последние десятилетия способы изготовления древесных частиц, клеевые композиции, способы совмещения наполнителей со связующим, процессы термопьезообработки позволяют получать плитные материалы, конкурирующие по свойствам с пиломатериалами и фанерой, а иногда и превосходящие их по структурным свойствам и надежности. Таким образом, разработка методов снижения ресурсоемкости производства композиционных материалов является частью огромной многоплановой работы по созданию новых видов материалов, повышению эффективности использования и переработки древесины и использованию новых источников сырья.
Стратегическая задача повышения эффективности работы отечественного производства композиционных древесных материалов может быть решена путем разработки научных и методологических принципов повышения эффективности использования древесного сырья на основе организации ресурсосбережения, поиска новых конструкций материалов, совершенствования контроля качества продукции, а также развития организационно-экономической базы освоения новой, конкурентоспособной продукции и технологий. Данная задача в полной мере соответствует государственной политике во внешнеэкономической сфере (в связи со вступлением в ВТО) и основным направлением развития лесопромышленного комплекса.
С точки зрения системного подхода [7,33,61,90,91,142] отечественное производство композиционных материалов можно рассматривать как объект социально-экономической системы, представляющей единство объекта и его прямых связей с внешней средой. Рассматривая отечественную промышленность по производству композитов в данном аспекте, можно предложить ее модель в виде открытой социально-экономической системы (рис. 2.1).
Исходя из этой схемы, можно предложить следующие этапы системного анализа отечественного производства композиционных материалов. 1. Анализ потенциала и прогнозирование динамики развития композиционных материалов. 2. Анализ отечественной нормативно-технической документации по производству композиционных материалов в контексте международных документов по стандартизации, сертификации и других актов международных организаций. 3. Исследование состояния международных рынков потребителей российских композиционных материалов, прогнозирование динамики их развития, прогнозирование тенденций изменения рынка поставщиков в - Россию материалов-аналогов. 4. Анализ воздействия перспективы вступления России в ВТО на развитие отечественного производства композиционных материалов, разработка стратегии развития производства в новых рыночных условиях с целью повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции. 5. Разработка методов снижения ресурсоемкости промышленности по производству композиционных материалов в контексте взаимосвязи с развитием деревообработки в целом и совершенствования процесса комплексного использования древесины. 6. Разработка методов повышения эксплуатационных характеристик композиционных материалов и повышение их конкурентоспособности. Каждый этап является самостоятельным трудоемким исследованием, органично входящим в программу развития отечественной плитной промышленности и производства композитов. Однако, несмотря на трудоемкость общей стратегической задачи, в рамках методологии системного анализа можно вычленить подсистему любого уровня и для нее провести последовательно ряд работ в связи «анализ — решение». В рамках будущего вступления России в ВТО отечественные производители композиционных материалов будут вынуждены работать на мировом уровне, чтобы не потерять свою нишу на мировом рынке. В новых рыночных условиях для того, чтобы завоевать и удержать потребителя, недостаточно просто выпускать композиты, соответствующие требованиям нормативно-технической документации. Необходимо предложить потребителю тот продукт, который ему нужен, причем высокого качества и по приемлемой цене.
Структуру столь сложной системы, как производство композиционных материалов, невозможно описать полно и детально без использования соответствующих приемов системного анализа. На рис. 2.2 представлена функциональная модель данного производства.
Определение величины удельной наружной поверхности частиц наполнителей композиционных материалов
В зависимости от формы и размеров различные наполнители в значительной степени отличаются по величине удельной наружной поверхности SyAHap, м2/кг, которая определяется по формуле где FHap.i - площадь наружной поверхности частицы конкретной формы, м ; т; - масса частиц, кг; п — количество частиц. Длина и ширина частиц определяется с помощью штангенциркуля с точностью измерения 0,1 мм, толщина с помощью микрометра с точностью измерения 0,01 мм. Различные виды наполнителей отличаются также по доле наружной поверхности с перерезанными волокнами Кпв, %, которая определяется по формуле Величины удельной поверхности и доли поверхности с перерезанными волокнами влияют на расход связующего при производстве композиционных материалов [58]. Чем больше удельная поверхность частиц наполнителя, тем больше связующего необходимо для их осмолення. Доля поверхности с перерезанными волокнами влияет на впитываемость клея, так как в торцах сорбция жидкостей максимальная. Для анализа геометрических параметров были отобраны методом квартования партии частиц наполнителей различной природы. Размеры частиц определялись с применением штангенциркуля и микрометра. Величины удельной наружной поверхности и доли перерезанных слоев определялись по расчетным формулам где L, В, Н — соответственно длина, ширина, толщина частиц наполнителя, мм; р - плотность частиц наполнителя, кг/м3 (для березовых частиц р =600 кг/м ; для костры льна р =450 кг/м ). В основе процесса склеивания древесных частиц лежат адгезия и смачивание, которые определяются взаимодействием на границе раздела фаз.
Это взаимодействие зависит от величин, которые обусловливают свойства поверхностей, прежде всего от поверхностного натяжения [125]. В экспериментальной части работы для определения поверхностного натяжения исследуемых адгезивов (синтетических полимеров) применялся метод отрыва кольца [5,109,170] с помощью чувствительных четырехдиапазонных торсионных весов WTW (Польша), внешний вид которых представлен на рис. 3.1. Данный метод был опробован исследователями и доказал свою точность и эффективность [143]. Сущность метода отрыва кольца состоит в измерении силы F, необходимой для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости. Одним из основных условий определения поверхностного натяжения данным методом является полное смачивание кольца исследуемой жидкостью. В этом случае при вертикальном отрыве кольца вместе с ним поднимается и столбик жидкости, сила тяжести которого равна приложенной силе.
В момент равновесия, когда внешнее усилие достигает значения сил поверхностного натяжения, столбик жидкости разрушается, а кольцо отрывается от поверхности жидкости. условиях поверхность столбика имеет более сложную форму. Эта форма зависит от отношения куба среднего радиуса кольца к объему поднимающейся жидкости в момент отрыва R /V, а также от отношения среднего радиуса кольца к радиусу его сечения R/r. С учетом этого в уравнение должен быть введен поправочный коэффициент р\ Из этого соотношения следует, что поверхностное натяжение жидкости пропорционально силе F, прикладываемой в момент отрыва кольца. Данную силу измеряют с помощью торсионных весов. Фактическое поверхностное натяжение определяется по формуле где К - поправочный коэффициент, определяемый по соотношению поверхностного натяжения стандартной жидкости (например, дистиллированной воды) к силе отрыва кольца при испытании на торсионных весах, Сила отрыва F определяется на торсионных весах с точностью до 1 мг. Повторность опытов составляет не менее 5. Значение силы отрыва определяется как среднее значение по результатам дублированных замеров. В экспериментальной части работы при определении поверхностного натяжения исследовались традиционно применяемые для склеивания карбамидоформальдегидная смола КФН-66 и фенолформальдегидная смола СФЖ-3014, фурфуролацетоновый мономер ФА, а также указанные смолы, модифицированные поверхностно-активными веществами (бутанолом, ПВА) для уменьшения их поверхностного натяжения. В момент нанесения жидкости или олигомера на целлюлозосодержащую подложку происходят следующие процессы: смачивание и растекание жидкости или олигомера по подложке, пропитка, образование площади контакта между двумя фазами, возникновение адгезионной связи [80]. Измерение истинных углов смачивания сопряжено с методическими трудностями. Дело в том, что равновесное значение угла смачивания устанавливается иногда очень медленно. Кроме того, изучение смачивания осложняется проявлением гистерезиса смачивания. Исследования краевого угла смачивания костры льна синтетическими олигомерами проводились на основе методик [4,173] с использованием микроскопа МБС-10, позволяющего определить размеры капли адгезива, нанесенной на поверхность субстрата. Внешний вид установки для определения размеров капель адгезивов представлен на рис. 3.2. Для реализации данного метода необходимо иметь исследуемое твердое вещество с поверхностными размерами, достаточными для нанесения капли и для оценки ее размеров. Поскольку частицы костры льна имеют небольшие размеры, была разработана методика подготовки ее поверхности [217], представленная на рис. 3.3.
Определение поверхностного натяжения адгезивов, используемых в производстве композиционных материалов
При определении поверхностного натяжения исследовались традиционно применяемые для склеивания карбамидоформальдегидная смола КФН-66 и фенолформальдегидная смола СФЖ-3014, а также указанные смолы, модифицированные бутанолом для уменьшения их поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение ст, МДж/м известных жидкостей [134,176] составляет: - для дистиллированной воды - для бутанола -1 Определение поправочного коэффициента К при исследовании дистиллированной воды представлено в табл. 4.1. Результаты экспериментов показали, что введение бутанола в синтетические смолы способствует снижению их поверхностного натяжения, при этом несколько уменьшается и вязкость, что должно положительно отразиться на процессе смачивания ими костры льна. Сводные результаты определения краевых углов смачивания представлены в табл. 4.4-4.5. Внешний вид исследуемых капель адгезива, модифицированного бутанолом-1, представлен на рис. 4.1-4.2. Графические зависимости влияния количества добавляемого в смолу модификатора - бутанола-1 на краевой угол смачивания субстратов представлены нарис. 4.3, 4.4. На основе уравнения (4.24) можно рассчитать теоретические значения косинусов краевых углов смачивания для конкретных субстратов и адгезивов с известными величинами поверхностного натяжения с цельюоценки сопоставимости их с экспериментальными значениями. Данная формула справедлива при наличии краевых углов более 0 (cos0 l). Оценка точности измерения краевых углов смачивания сведена в табл. 4.6. Проведенная оценка свидетельствует о достаточной сходимости результатов.
Практические вопросы адгезионной прочности в структуре композиционных материалов могут быть решены только с учетом соотношений поверхностных натяжений адгезива и субстрата. Поверхностное натяжение основных древесных пород и основных синтетических полимеров, применяемых при склеивании [17,228], представлено в табл. 4.7. Поверхностное натяжение различных древесных пород отличается в зависимости от породы, анатомического строения, плотности, пористости и других факторов. В работе [238] определено поверхностное натяжение основных пород (березы и сосны), применяемых в производстве композиционных материалов. В литературных источниках отсутствуют сведения о величине поверхностного натяжения костры льна, однако определение данного показателя очень важно для прогнозирования адгезионной прочности и эксплуатационных свойств композиционных материалов на ее основе. Существует множество методов измерения поверхностного натяжения твердых тел, каким является и костра, однако надежного, теоретически строгого способа определения данной величины до сих пор нет. Но наиболее доступным и технически возможным является метод измерения поверхностной энергии твердого тела по результатам изучения равновесия трех фаз — твердой, жидкой и газообразной, на основе смачивания твердого тела жидкостями в воздушной среде. Этот метод может быть реализован на основе измерения краевых углов смачивания [17] (форм. 4.12).
В упрощенном виде, а также учитывая, что в жидкостях поверхностное натяжение практически равно поверхностной энергии, уравнение 4.12 примет вид где (7Ж - поверхностное натяжение жидкости (адгезива), МДж/м ; ат- поверхностное натяжение твердого тела (субстрата), МДж/м ; в - краевой угол смачивания, град. Данная зависимость была использована для предварительной оценки величины поверхностного натяжения костры льна [216]. В расчетах использовались известные величины поверхностного натяжения и косинусы краевых углов смачивания, определенные для основных древесных пород при смачивании рассмотренными адгезивами, а также величины поверхностного натяжения адгезивов, модифицированных бутанолом (табл. 4.2). Расчет сведен в табл. 4.8. Результаты сравнения расчетного и справочного поверхностного натяжения древесных пород (березы и сосны) показали, что на основе предложенной формулы можно определить поверхностное натяжение твердых субстратов с точностью, не превышающей 10%. При этом среднее поверхностное натяжение костры оказалось на уровне 44,1 МДж/м2.
