Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса 15
1.1. Современное состояние и перспективы развития производства древесных плит 15
1.2. Способы повышения физико-механических свойств древесных плит 20
1.2.1. Способы повышения прочности древесных плит 20
1.2.2. Способы повышения водостойкости древесных плит 27
1.2.3. Комплексные способы повышения эксплуатационных свойств древесных плит 31
1.3. Обоснование применения фурановых олигомеров для производства древесных материалов 37
1.4. Способы получения, свойства фурфуролацетонового мономера ФА и исходных продуктов его конденсации 39
1.5. Выводы по главе 43
2. Теоретические основы формирования клеевых соединений на основе фурановых олигомеров 45
2.1. Химические основы процесса синтеза и отверждения фурфуролацетонового мономера ФА 45
2.1.1. Химические основы процесса синтеза фурфуролацетонового мономера ФА 45
2.1.2. Химизм процесса отверждения мономера ФА 47
2.2. Исследование времени желатинизации мономера ФА 55
2.3. Химическое взаимодействие древесных частиц со связующим в структуре древесно-стружечных плит 58
2.4. Выводы по главе 62
3. Методические положения экспериментальных исследований 63
3.1. Сырье и материалы 63
3.2. Методы исследований 66
3.2.1. Методика определения времени желатинизации связующих 66
3.2.2. Методика изготовления плитных материалов на основе совмещенного связующего 67
3.2.3. Методика изготовления плитных материалов на основе фурфуролацетонового мономера ФА 68
3.2.4. Методики оценки свойств плитных материалов на основе фурфуролацетонового мономера ФА и совмещенного связующего 69
3.2.5. Методика оценки огнезащищенности древесно-стружечных плит на основе фурфуролацетонового мономера ФА и совмещенного связующего 73
3.2.6. Методика оценки экологических параметров древесных плит на основе мономера ФА 73
3.3. Построение и обработка экспериментальных планов 76
4. Исследование свойств древесно-стружечных плит на основе фуранового олигомера 77
4.1. Сравнительное исследование свойств древесно-стружечных плит на основе фенолформальдегидного олигомера и мономера ФА 77
4.2. Исследование совмещения фенолформальдегидного олигомера с фурановым 81
4.3. Исследование свойств древесно-стружечных плит на основе карбамидоформальдегидных и фенолформальдегидных связующих, модифицированных фурановым олигомером 87
4.4. Исследование физико-механических характеристик трехслойных древесно-стружечных плит с послойной комбинацией связующего 92
4.5. Исследование влияния температуры прессования на свойства древесно-стружечных плит, изготовленных с использованием фурфуролацетонового мономера ФА 98
4.6. Исследование влияния количества связующего на свойства древесно-стружечных плит, изготовленных с применением фурфуролацетонового мономера ФА 106
4.7. Выводы по главе 114
5. Оценка влияния технологических факторов на свойства древесно-стружечных плит на основе фуранового олигомера 116
5.1. Выбор варьируемых факторов 116
5.2. Планирование эксперимента 117
5.3. Проверка однородности дисперсий 117
5.4. Расчет коэффициентов уравнений регрессии 119
5.5. Проверка адекватности математических моделей 122
5.6. Проверка эффективности математических моделей 123
5.7. Рациональные технологические условия производства древесностружечных плит на основе фуранового олигомера 124
5.8. Перевод уравнений регрессии из нормализованных обозначений факторов в натуральные 125
5.9. Основные графические зависимости 126
5.10. Интерпретация результатов эксперимента 128
5.11. Оценка экологических параметров древесно-стружечных плит на основе фурфуролацетонового мономера ФА 129
5.12. Выводы по главе 131
6. Технико-экономическое обоснование 132
6.1. Особенности технологического процесса производства плит на основе фуранового олигомера 132
6.2. План производства и реализации продукции 132
6.3. Финансовый план 134
6.4. Расчет основных технико-экономических показателей плитного производства 136
6.5. Выводы по главе 138
Заключение 139
Библиографический список 141
Приложения 157
Приложение 1. Таблица среднеквадратических отклонений и дисперсий опытов 157
Приложение 2. Протокол лабораторных исследований 158
Приложение 3. Технологическая инструкция 162
Приложение 4. Акты внедрения 175
- Способы повышения прочности древесных плит
- Методики оценки свойств плитных материалов на основе фурфуролацетонового мономера ФА и совмещенного связующего
- Исследование влияния температуры прессования на свойства древесно-стружечных плит, изготовленных с использованием фурфуролацетонового мономера ФА
- Исследование влияния количества связующего на свойства древесно-стружечных плит, изготовленных с применением фурфуролацетонового мономера ФА
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Древесно-стружечные плиты в настоящее время широко применяются в строительстве, мебельной промышленности, авто-, вагоно-, контейнеростроении и иных сферах, однако их эксплуатационные свойства не всегда в полной мере удовлетворяют требованиям потребителей. Основная часть древесных плит, выпускаемых как российскими, так и зарубежными производителями, обладает недостаточной водостойкостью, что ограничивает их применение в сферах с переменными температурно-влажностными условиями, недостаточными прочностными характеристиками и высокой токсичностью.
Основная часть древесных плит выпускается с применением формальдегидосодержащих олигомеров (карбамидоформальдегидных, фенолформальдегидных). В процессе изготовления и эксплуатации таких плит выделяется свободный, непрореагировавший в процессе отверждения, формальдегид, обладающий, прежде всего, канцерогенным действием. Несмотря на постоянное ужесточение норм к выделениям токсичных веществ из древесно-полимерных композиционных материалов, массово применяемые плиты в большинстве случаев не удовлетворяют требуемым экологическим параметрам.
Кардинальным способом повышения эксплуатационных характеристик древесных плит является применение альтернативных клеев, не содержащих формальдегид, обладающих высокими адгезионными свойствами. Одним из таких представителей являются олигомеры фуранового ряда. В данных олигомерах отсутствуют легколетучие токсичные компоненты; опасность интоксикации фурфуролом (основным компонентом данных олигомеров) и его производными маловероятна вследствие низкой летучести этих продуктов при комнатной температуре; предельно допустимые концентрации используемых при синтезе веществ (фурфурола и ацетона) гораздо выше, ниже их класс опасности. Клееная древесная продукция, изготовленная с применением фурановых олигомеров, по экологическим показателям превосходит аналогичную, изготовленную с применением фенол- и формальдегидосодержащих связующих.
В рамках диссертационного исследования даны рекомендации по производству новых видов древесно-стружечных плит с использованием клеевых составов на основе олигомеров фуранового ряда. Данное направление исследований является актуальным, поскольку позволяет повысить качество выпускаемых плит, повысить эффективность и конкурентоспособность отечественной плитной промышленности.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами госбюджетных научно-исследовательских работ в рамках единого заказ-наряда «Совершенствование эффективности функционирования производства плитных древесных композиционных материалов на основе глубокой переработки древесных отходов» (№ ГР 7.4819.2011).
Проблемами применения фурановых олигомеров в деревообработке занимались Шутов Г.М., Эрдман М.М., Вихров В.Е., Холькин Ю.И., Баженова Н.Н., Синюков Н.П., Хрулев В.М., Зайвий В.А., Цветков В.Е., Азаров В.И., Межов И.С. и др. Известно, что клееные материалы на основе фурановых связующих обладают высокими физико-механическими свойствами, однако конкретных технических рекомендаций по производству древесно-стружечных плит с высокими эксплуатационными характеристиками на основе фурановых олигомеров в настоящее время нет. Отсутствуют полные сведения о химических реакциях, протекающих в процессе отверждения фуранового олигомера и его взаимодействия с древесиной. Поэтому развитие теории структурирования фуранового олигомера и разработка рациональных технологических режимов производства древесных плит на его основе в настоящий момент является актуальной научной задачей, что и определило выбор настоящего диссертационного исследования.
Цель работы – разработка технологических режимов производства древесно-стружечных плит с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе фурановых олигомеров.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, отражающие логику диссертационного исследования:
- теоретическое описание процессов структурообразования клеевых составов на основе олигомеров фуранового ряда в процессе их отверждения и взаимодействия с компонентами древесины;
- оценка влияния основных технологических факторов на свойства древесных плит на основе фурановых олигомеров;
- разработка рецептур и технологических режимов производства новых видов древесно-стружечных плит конструкционного назначения с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Методы исследований. Работа базируется на использовании основных теоретических положений в области химии высокомолекулярных соединений, применении методов факторного планирования, регрессионного анализа, математических методов статистического анализа. Поставленные задачи решались с применением ЭВМ с помощью современных графических и вычислительных программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях по принятым методикам и планам экспериментов и полностью согласуется с эмпирическим опытом.
Объектом исследования является производство древесно-стружечных плит.
Предметом исследования являются древесно-стружечные плиты конструкционного назначения на основе олигомеров фуранового ряда.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Теоретически описаны процессы химического взаимодействия компонентов при отверждении клеевых композиций на основе фурановых олигомеров в структуре древесно-стружечных плит.
-
Определены физико-механические и экологические свойства древесно-стружечных плит с использованием клеевых составов на основе фурановых олигомеров.
-
Получены математические модели, оценивающие влияние основных технологических факторов на свойства древесно-стружечных плит с использованием олигомеров фуранового ряда, обоснованы рациональные технологические режимы их производства.
Основные положения, выносимые на защиту можно классифицировать как научно обоснованные технические и технологические решения, направленные на разработку технологии производства древесно-стружечных плит с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе применения олигомеров фуранового ряда. Внедрение этих положений вносит значительный вклад в решение проблем функционирования и развития организации производства древесных плит, а также повышения конкурентоспособности продукции. Указанные положения включают:
-
Теоретическое моделирование химического взаимодействия компонентов при отверждении клеевых композиций на основе фурановых олигомеров в структуре древесно-стружечных плит.
-
Результаты экспериментальных исследований свойств древесно- стружечных плит с использованием клеевых составов на основе фурановых олигомеров.
-
Математические модели, оценивающие влияние основных технологических факторов на свойства древесно-стружечных плит с использованием олигомеров фуранового ряда, обоснованные рациональные технологические режимы, технологические инструкции и технологию их производства.
-
Рекомендации по рациональным рецептурам, технологическим режимам и технологиям производства древесных плит с повышенными эксплуатационными характеристиками, пригодных для промышленного использования.
Практическая значимость диссертационной работы. Разработанные технические мероприятия позволяют повысить эффективность функционирования производства древесных плит с выпуском качественной конкурентоспособной продукции для широкого применения в строительстве, производстве специальной мебели, конструкциях, работающих в атмосферных условиях.
Направление исследований в полной мере соответствует перспективам научно-технического комплекса страны в области рационального природопользования и развития технологий получения новых композиционных материалов, основам политики Российской Федерации в области развития науки и технологий.
Основные научные и технические результаты апробированы и приняты к использованию на ОАО «Фанплит», г. Кострома.
Основные теоретические положения производства древесно-стружечных плит с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе применения олигомеров фуранового ряда используются в учебном процессе для дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология и применение полимеров в деревообработке».
Соответствие темы и содержания диссертации требованиям паспорта специальности ВАК. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки, с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции», п. 4. «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины», п. 6 «Исследование и разработка связующих, клеев и лаков для технологии различных деревообрабатывающих производств» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждены и одобрены на заседаниях и конференциях различного уровня:
- научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов университета по итогам научно-исследовательских работ в 2012 г. (г. Мытищи, МГУЛ);
- пятнадцатой областной научной конференции молодых исследователей «Шаг в будущее» в 2012 г. (г. Кострома);
- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» в 2012 г. (г. Кострома, КГТУ);
- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий» в 2012 г. (г. Кострома, КГТУ);
- заседаниях кафедр механической технологии древесины КГТУ, технологии древесных плит и пластиков МГУЛ в 2013 г.
Место проведения исследований. Диссертационная работа выполнена на кафедре механической технологии древесины Костромского государственного технологического университета.
Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации. При непосредственном участии автора изготовлены опытные партии древесно-стружечных плит и проведены испытания по определению их физико-механических характеристик, разработаны теоретические основы структурирования клеевых соединений на основе фуранового олигомера. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения.
Работа содержит 156 машинописных страниц основного текста, в том числе 32 таблицы, 71 рисунок. Библиографический список использованных источников содержит 139 наименований российской и зарубежной литературы. Приложения включают 21 страницу материалов в виде научно-технической документации и актов внедрения.
Способы повышения прочности древесных плит
Одной из важнейших характеристик древесно-стружечных плит является ее прочность. Она зависит от многих факторов: морфологической характеристики древесных частиц (геометрии стружки, структуры поверхности частиц, породы древесины), профиля плотности по толщине и средней плотности плиты, ориентирования древесных частиц, размерной характеристики древесных частиц в отдельных слоях по толщине плиты, соотношения между слоями, характером склеивания древесных частиц в процессе прессования, послепрессовой обработки плит и рядом других факторов.
Одним из важнейших факторов, влияющих на прочность изготавливаемых плит, является геометрия используемой стружки [39,70,79,87,90]. Прочность плит максимально повышается при использовании стружки длиной 40-60 мм, а при дальнейшем увеличении длины падает. Но возникает проблема осмолення частиц такой длины, в связи с чем их не используют. Поэтому многие специалисты отдают предпочтение стружкам длиной 20-40 мм [27,39,71].
Существенное влияние на прочность плит оказывает и толщина используемой стружки. Экспериментальные данные ученых по этому аспекту различаются. Одни считают, что максимальной прочностью обладают плиты, изготовленные из стружки толщиной 0,1-0,4 мм [70], другие - толщиной 0,55-0,75 мм [17,90]. Ширина стружки практически не оказывает влияния на прочность плит.
Для изготовления высокопрочных древесно-стружечных плит рекомендуется применять стружки с соотношением толщины, ширины и длины, равным 1:10: 100 [39], а также с отношением длины к толщине 1 : 150 [70]. По данным И.М. Дыскина повышенную прочность древесностружечным плитам придают стружки толщиной 0,4 мм, шириной 4 мм и длиной 40 мм [45].
Добавка в трехслойные древесно-стружечные плиты некоторого количества станочной стружки (30-50 %) повышает предел прочности плит при растяжении перпендикулярно к пласти до 20 % при одновременном сохранении предела прочности при статическом изгибе или даже некотором его повышении [39,58,79].
Прочность древесных плит можно существенно повысить путем использования частиц с гладкой и ровной поверхностью [129].
Другим важным фактором для повышения прочности древесных плит является ориентация древесных частиц. Предел прочности плит при статическом изгибе вдоль направления ориентации больше примерно на 50 %, а поперек меньше на 10 % по сравнению с плитами, изготовленными при тех же условиях, но без ориентации [129], по другим данным, предел прочности плит при статическом изгибе вдоль направления ориентации больше на 90 %, а поперек меньше на 16 % [40]. Ориентация древесных частиц способствует образованию каналообразных и петлеобразных пор, которые определяют фильтрацию газов в капиллярно-пористых телах. При этом значительно снижается внутреннее давление парогазовой смеси в прессуемом пакете [96].
Процесс осмолення частиц связующим тоже играет важную роль. По мере уменьшения диаметра капли распыляемого связующего, прочность древесно-стружечных плит возрастает. Максимальную прочность при прочих равных условиях имеют плиты при распыливании связующего на капли, средний диаметр эллипсоидов вращения которых 8-35 мкм [126,129].
Форма лопастей смесителя также влияет на прочность изготавливаемых плит. Наибольшую прочность имеют плиты, полученные при перемешивании частиц лопаточными лопастями. Увеличение пределов прочности при статическом изгибе и растяжении перпендикулярно к пласти достигает соответственно 8-12 % и 30-40 %. Разбухание плит по толщине при этом уменьшается на 6-10 % [18]. Качество осмолення зависит от степени заполнения смесительной камеры. Рекомендуемая степень заполнения камеры барабана составляет 40-65 %. При этом достигаются максимальные прочностные свойства готовых плит [79,129]. Порода древесины - один из важнейших факторов [54,128]. Из древесины с низкими показателями плотности и прочности получаются плиты с более высокими прочностными показателями: плиты из хвойных и мягких лиственных пород на 20 % прочнее плит из древесины березы [48].
Основной фактор породы - ее плотность, которая будет определять плотность древесно-стружечной плиты и, следовательно, ее прочность. С увеличением плотности плит достигается более плотная укладка древесных частиц, уменьшается доля пустот между ними, увеличивается площадь контакта между частицами и число точечных клеевых связей, в результате чего прочность плит резко повышается [79]. Следствием повышения плотности плит выступает повышение степени контактирования частиц [58]. Чем выше плотность, тем выше степень контактирования древесных частиц между собой. Степень контактирования, а, следовательно, и прочность древесно-стружечных плит увеличивается за счет повышения степени покрытия частиц связующим и более плотной их укладки при одинаковой плотности плит [96,130]. Некоторое увеличение контактирования между частицами достигается путем добавления к стружечно-клеевой смеси внутреннего слоя мелких частиц и пыли [13].
Повышению прочностных показателей (и в первую очередь предела прочности при статическом изгибе) способствует наличие фракционирования древесных частиц на стадии формирования стружечного ковра. Изготовление древесных плит с фракционированными частицами позволяет повысить их прочностные свойства на 15-20 % [85].
Одним из возможных путей повышения прочностных свойств плит является их армирование стекловолокном. По данному способу в наружные слои плит добавляется рубленое стекловолокно, предварительно смешанное со связующим. Максимальное значение прочности достигается при длине стекловолокна 20-30 мм и превышает прочность неармированных плит примерно в 5 раз [40]. Одним из важнейших факторов, влияющих на прочность древесных плит, является процесс прессования. По мнению многих исследований именно прессование - основная технологическая операция, отвечающая за качество и свойства получаемых плит [79,86,106]. Повышение температуры прессования со 180 до 220С оказывает благоприятное влияние на повышение прочности плит при изгибе, уменьшается их разбухание по толщине [79].
Прочность связи частиц в стружечном пакете определяется многими факторами, в том числе режимом прессования [46]. Превышение внешнего давления над внутренними силами, распрессовывающими стружечный пакет, воспринимаются ограничительными прокладками. Для устранения этого недостатка разработан способ контроля процесса прессования древесностружечных плит. Сущность этого способа заключается в том, что пакет первоначально уплотняется не до номинальной толщины, а до толщины, превышающей ее на величину припуска. Припуск составляет 110-120 % от величины усушки пакета по толщине (0,5-0,7 мм). После уплотнения пакета внешнее давление прессования поддерживается автоматически [96].
Давление парогазовой смеси в стружечном пакете определяется скоростью ее образования и парогазопроницаемостью пакета. Применение гибких сетчатых поддонов облегчает условия выхода паров из прессуемого стружечного пакета. Давление парогазовой смеси в этом случае снижается в 3-4 раза [127].
Парогазопроницаемость стружечного пакета, как и любого материала, определяется внутренним строением. В результате ориентации древесных частиц при формировании стружечного ковра происходит снижение избыточного давления [41,96].
Фактором увеличения скорости удаления парогазовой смеси из пакета является уменьшение длины пути фильтрации и увеличение сечения парогазового потока. Для этого используются прокладки из пористого металлического проката с размерами пор 5-35 мкм [96] или специальные сетчатые прокладки [41].
Другим способом снятия напряжений является отвод парогазовой смеси из центральной зоны пакета с помощью отверстий и каналов в нагревательных плитах пресса [96]. Чтобы исключить влияние упругого восстановления, необходимо при изменении состава сырья изменять толщину дистанционных планок [122].
Помимо прессования немаловажную роль в повышении прочности играет послепрессовая обработка плит. Здесь можно выделить два направления: кондиционирование и термообработку готовых плит.
Прочность плит, охлажденных при свободном омывании их воздухом, не снижается. В этом случае температура плит толщиной 19 мм снижается быстро и уже через час в середине плиты составляет 25С при температуре воздуха в помещении 16-17С. Толстые плиты, и плиты, к которым предъявляют повышенные требования, устанавливаются в вертикальном положении на вагонетках. Для равномерного охлаждения плит служат охладительные камеры [47,79,129]. С увеличением интенсивности охлаждения плит перед укладкой в стопы увеличивается приращение их прочности [43].
Термообработка в свою очередь способствует углублению отверждения связующего и его взаимодействию с компонентами древесины. Термическая обработка проводится при непрерывной циркуляции воздуха сразу после процесса прессования. Термообработка древесных плит, изготовленных на основе фенолформальдегидного связующего, проводится в установках непрерывного действия при 200-215С [134].
Наибольшую значимость на прочность древесно-стружечных плит оказывает фактор используемого связующего [87].
Методики оценки свойств плитных материалов на основе фурфуролацетонового мономера ФА и совмещенного связующего
Оценка физико-механических характеристик плит проводилась на основе стандартных методик [30,31,32,33]:
- отбор и подготовка образцов по ГОСТ 10633-78;
- предел прочности при статическом изгибе по ГОСТ 10635-78 на образцах форматом 250 х 50 мм х мм;
- предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты по ГОСТ 10636-78 на образцах форматом 50 х 50 мм х мм;
- плотность, разбухание, водопоглощение по ГОСТ 10634-78 на образцах форматом 100 х 100 мм х мм.
Определение прочности плит при изгибе является самым важным приёмосдаточным механическим показателем древесно-стружечных плит. ГОСТ 10632-2007 устанавливает требования к прочности древесностружечных плит толщиной от 15 до 19 мм. Для плит П-А предел прочности при изгибе должен быть не менее 16 МПа, для плит П-Б - не менее 14 МПа.
Для проведения испытаний, согласно ГОСТ 10636-78, из древесностружечных плит должны быть выпилены прямоугольные образцы. Длина образцов должна быть равна 25-кратной номинальной толщине плиты плюс 50 мм, но не менее 150 мм. Толщина образцов должна быть равной толщине плиты. Но допускается так же использовать образцы шириной 50 мм и длиной, равной 10-кратной номинальной толщине плиты плюс 50 мм, но не менее 250 мм (в данной работе использовался такой тип образцов). Физические параметры предварительно пронумерованных образцов измеряли следующим образом. Ширину образца измеряли по его поперечной оси, толщину образца измеряли на середине длины образца с помощью электронного штангенциркуля Digital Caliper с точностью 0,01 мм.
ГОСТ 10632-2007 устанавливает требования к пределу прочности древесно-стружечных плит при отрыве перпендикулярно к пласти плиты для марки П-А не менее 0,35 МПа, для марки П-Б - не менее 0,24 МПа.
Испытания предела прочности при отрыве перпендикулярно к пласти проводились на образцах размером 50х50хЬпл. На поверхность образцов предварительно были приклеены колодки из древесины березы для осуществления возможности захвата в приспособлении испытательной машины.
Длину и ширину образцов измеряли электронным штангенциркулем Digital Caliper с точностью 0,1 мм посередине сторон образцов.
Испытания прочности плит проводились на разрывной испытательной машине Р-5. Разрушающая нагрузка определялась с точностью до 1 Н. Расчёт показателей прочности проводился по формулам где аи - прочность при изгибе, МПа; аотр - прочность при отрыве, МПа; Ртах - сила, при которой образец был разрушен, МПа; I, b,h- длина, ширина и толщина образца соответственно, мм.
Плотность плиты определялась на образцах форматом 100xl00xhnjI мм. Толщину образца измеряли в четырёх точках. За толщину образца принимали среднее арифметическое значение результатов 4-х замеров. Длину и ширину образцов измеряли в двух местах параллельно кромкам образца. За длину и ширину принималось среднее арифметическое значение результатов замеров двух параллельных сторон образца.
Измерения размеров проводились с помощью электронного штангенциркуля Digital Caliper с точностью 0,1 мм.
Плотность плиты р, кг/м определялась по формуле
Разбухание плит по толщине нормируется ГОСТ 10632-2007 и составляет для плит марки П-А не более 22%, для плит марки П-Б не более 33%. Показатель водопоглощения не нормируется. Разбухание и водопоглощение зависят от вида и плотности плиты, количества и вида добавляемого связующего, длительности соприкосновения с водой. Плиты более подвержены разрушающему действию впитываемой воды, чем цельная древесина. После вымачивания в течение 24 часов прочность плит уменьшается в З..3,5 раза.
Определение величины разбухания и водопоглощения проводились согласно ГОСТ 10634-88. Использовались образцы форматом 100х100хппл, мм. Замеры линейных размеров и массы образцов проводились до замачивания и после замачивания таким же образом, как и для определения плотности образцов.
Разбухание плит по толщине и водопоглощение определялись по формулам
Исследование влияния температуры прессования на свойства древесно-стружечных плит, изготовленных с использованием фурфуролацетонового мономера ФА
Предварительно проведенные опытные запрессовки показали, что для полного отверждения мономера ФА требуются более сильные катализаторы и более жесткие режимы прессования. Целью настоящей работы является оценка влияния температуры прессования на физико-механические характеристики древесно-стружечных плит.
В экспериментальных исследованиях были изготовлены и испытаны образцы древесно-стружечных плит, прессование которых велось при различных температурах (от 160 до 220С).
Для изготовления образцов использовалась специальная резаная стружка лиственных и хвойных пород древесины с отбором фракции 10/2 и клеевые композиции на основе фурфуролацетонового мономера ФА в смеси с отвердителем - п-толуолсульфокислотой в количестве 5% от массы мономера ФА. Изготовление плит проводилось в лабораторном гидравлическом прессе П100-400 при следующих постоянных факторах:
- толщина плит 16 мм;
- плотность плит 850 кг/м3;
- удельное давление прессования 2 МПа;
- продолжительность выдержки под давлением 8 мин;
- расход связующего 12 % от массы абсолютно сухой стружки.
Физико-механические свойства плит определялись по ГОСТ 10634-78, ГОСТ 10635-78, ГОСТ 10636-78, огнезащищенность оценивалась по потере массы при горении методом «огневой трубы».
Были также проведены испытания на прочность образцов при растяжении перпендикулярно к пласти плиты после вымачивания их в холодной воде в течение 24 часов, а также оценено разбухание по толщине и водопоглощение плит после кипячения. Полученные сводные результаты оценки свойств плит представлены в табл. 4.5, 4.6.
На рис. 4.26, 4.27 представлены графические зависимости влияния температуры прессования на прочностные свойства плит.
Прочностные показатели плит (предел прочности при статическом изгибе и при растяжении перпендикулярно к пласти) имеют максимальные значения при температуре прессования 200С. При температурах выше 200С наблюдается некоторое снижение прочности. Мономер ФА отверждается при этом более полно, но в процессе прессования в центральной зоне плиты возрастает давление парогазовой смеси, которая интенсивно выходит при размыкании плит пресса с образованием механических разрывов отдельных клеевых связей.
После вымачивания образцов плит в течение суток их прочность снижается, но остается на достаточном уровне (рис. 4.28).
На рис. 4.29 - 4.31 представлены графические зависимости влияния температуры прессования на физические характеристики плит.
Показатели разбухания и водопоглощения, а также потери массы при горении существенно снижаются при повышении температуры прессования плит за счет более полного отверждения связующего. При повышенных температурах (более 200С) разбухание не превышает 8,5%, потеря массы -не более 17%.
Проведенные эксперименты показали, что данные плиты выдерживают длительное кипячение. На рис. 4.32-4.35 представлены графические зависимости показателей разбухания и водопоглощения плит от температуры прессования после кипячения в течение от 0,5 до 5 час.
Анализ полученных данных показал, что плиты, изготовленные при температуре прессования 200С и выше сохраняют водостойкость при длительном кипячении.
Таким образом, производство древесных плит на основе фурфуролацетонового мономера ФА при высоких температурах прессования позволяет получить конструкционный материал с повышенной прочностью и длительной водостойкостью, что позволит эффективно использовать его в строительных целях и иных сферах в условиях переменных температурно-влажностных условий.
Исследование влияния количества связующего на свойства древесно-стружечных плит, изготовленных с применением фурфуролацетонового мономера ФА
В экспериментальных исследованиях были изготовлены и испытаны образцы древесно-стружечных плит с различным количеством связующего (от 6 до 22 масс. ч.).
Для изготовления образцов использовалась специальная резаная стружка лиственных и хвойных пород древесины с отбором фракции 10/2 и клеевые композиции на основе фурфуролацетонового мономера ФА в смеси с отвердителем - n-толуолсульфокислотой в количестве 5 % от массы мономера ФА. Изготовление плит проводилось в лабораторном гидравлическом прессе П100-400 при следующих постоянных факторах:
- толщина плит 16 мм;
- плотность плит 800 кг/м ;
- удельное давление прессования 2 МПа;
- продолжительность выдержки под давлением 8 мин;
- температура прессования 180С.
Физико-механические свойства плит определялись по ГОСТ 10634-78, ГОСТ 10635-78, ГОСТ 10636-78, огнезащищенность оценивалась по потере массы при горении методом «огневой трубы». Были также проведены испытания на прочность образцов при растяжении перпендикулярно к пласти плиты после вымачивания их в холодной воде в течение 24 часов, а также оценено разбухание по толщине и водопоглощение плит после кипячения. Полученные сводные результаты оценки свойств плит представлены в табл. 4.7, 4.8.
Прочностные показатели плит имеют максимальные значения при количестве используемого связующего 18 масс. ч. При повышении расхода связующего наблюдается снижение прочности. Мономер ФА отверждается при этом более полно, но в процессе прессования в связи с увеличением влажности от повышенного расхода клея в центральной зоне плиты возрастает давление парогазовой смеси, которая интенсивно выходит при размыкании плит пресса с образованием механических разрывов отдельных клеевых связей. На рис. 4.38 представлен внешний вид срединной зоны образца плиты, изготовленной с использованием фуранового олигомера в количестве 22 масс. ч. после испытания предела прочности при перпендикулярном отрыве, в центральной зоне заметны макротрещины от разрывов и усадки клея.
После вымачивания образцов плит в течение суток их прочность снижается, но остается на достаточно высоком уровне (рис. 4.39).
Показатели разбухания и водопоглощения, а также потери массы при горении существенно снижаются при повышении количества связующего в плитах за счет более полной изоляции древесных частиц отвержденным связующим. При повышенном количестве связующего (18-22 масс, ч.) разбухание колеблется в пределах 3.. .5 %, потеря массы - не более 14%.
Проведенные эксперименты показали, что данные плиты выдерживают длительное кипячение. На рис. 4.43-4.46 представлены графические зависимости показателей разбухания и водопоглощения плит при использовании различного количества связующего после кипячения в течение от 0,5 до 5 час. На рис. 4.47 представлен внешний вид образцов плит до и после кипячения.
Анализ полученных данных показал, что плиты, изготовленные с использованием повышенного количества фуранового олигомера (18-22 масс, ч.) сохраняют водостойкость при длительном кипячении. Однако при использовании 22 масс. ч. мономера ФА водостойкость практически не изменяется, а прочность существенно понижается.
Таким образом, целесообразно производство древесных плит на основе фурфуролацетонового мономера ФА с расходом 14... 18 масс, ч., что позволяет получить конструкционный материал с повышенной прочностью и длительной водостойкостью. Данные плиты можно эффективно использовать в строительстве и иных сферах с переменными температурно-влажностными условиями.
