Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Физико-механические свойства древесноволокнистых
плит средней плотности и области их применения 7
1.2. Особенности технологии производства древесноволокнистых плит средней плотности сухим способом 9
1.3. Механизм образования древесноволокнистых плит 13
1.4. Связующие в производстве древесноволокнистых плит 22
1.5. Химические изменения компонентов древесины в процессе производства древесноволокнистых плит 25
1.6. Выводы и задачи исследования
2. Методика исследований 34
3. Исследование степени отверждения фенолоформальдегидной смолы и кинетики прогрева древесноволокнистого ковра в условиях горячего прессования древесноволокнистыхплит средней плотности 46
3.1. Определение зависимости степени отверждения фенолоформальдегидной смолы от температуры и продолжительности горячего прессования плит 46
3.2. Влияние влажности волокна и толщины древесноволокнистой плиты на кинетику прогрева ковра 46
3.3. Влияние плотности древесноволокнистой плиты и температуры прессования на кинетику прогрева ковра 55
3.4. Исследование влияния влаги на термомеханические свойства древесного волокна 65
4. Исследовішие зависимости физико-механических свойств древесноволокнистых плит средней плотности от основных технологических факторов их производства 69
4.1. Оптимизация основных технологических факторов и циклограммы прессования древесноволокнистых плит средней плотности 69
4.2. Химические изменения компонентов древесины в процессе горячего прессования древесноволокнистых плит средней плотности 87
4.3. Повышение качества древесноволокнистых плит модификацией фенолоформальдегидной смолы 117
4.4. Исследование возможности улучшения водостойкости древесноволокнистых плит средней плотности
пропиткой специальными составами 126
5. Экспериментальные исследования в промышленных условиях и внещрение разработанной технологии в производство 129
5.1. Промышленная выработка древесноволокнистых плит средней плотности 129
5.2. Предлагаемая технологическая схема производства древесноволокнистых плит средней плотности
5.3. Внедрение разработанной технологии производства древесноволокнистых плит средней плотности в промышленность 142
Выводы 144
Список использованных источников
- Особенности технологии производства древесноволокнистых плит средней плотности сухим способом
- Влияние влажности волокна и толщины древесноволокнистой плиты на кинетику прогрева ковра
- Химические изменения компонентов древесины в процессе горячего прессования древесноволокнистых плит средней плотности
- Предлагаемая технологическая схема производства древесноволокнистых плит средней плотности
Особенности технологии производства древесноволокнистых плит средней плотности сухим способом
Древесноволокнистые плиты средней плотности - гладкий с обеих сторон,однородный листовой материал бледнопесочного цвета. Они характеризуются следующими физико-механическими показателями /I, 2, 3 / : Плотность, кг/м 650-850 Предел прочности при статическом изгибе, МПа 13 - 35 Предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти, ШПа 0,5-0,8 Модуль упругости при изгибе, МПа 2000-4500 Водопоглощение за 24 ч , 15-40 Набухание за 24 ч , 6-20 Толщина, мм 4-35
По своим физическим свойствам ДЕЛ СП являются лучшими среди древесных листовых материалов. Благодаря однородной структуре они мохут обрабатываться как твердая древесина высокого качества, без сучков и трещин / 4 /. После шлифования плиты имеют хорошую поверхность, пригодную для окраски и облицовки тонкой бумагой и пленками. При пребывании во влажной атмосфере поверхность их не приобретает вида "апельсиновой корки", как это обычно случается с древесностружечными плитами (ДСП), Кромки плит средней плотности мохут изготовляться профилированными и отделываться способом окраски или пленочными материалами. Эти плиты прекрасно соединяются винтами, гвоздями, скобами и клеем /3 5 /. Значения усилий при вырывании щурупов диаметром 3,45 мм из от верстий глубиной ІЗ мм по плоскости плиты составляют 630-1790 Н, по кромке 580-1770 Н / 5 /.
Как и другие древесные материалы, ДВП СП гигроскопичны и изменяют свои размеры в зависимости от влажности воздуха. Снижение относительной влажности воздуха с 85 до 35 % приводит к усушке плит до 0,25 % по плоскости и до 3 по толщине. Равновесная влажность плит составляет 6 - 7 при относительной влажности воздуха 35 и II - 13 при влажности воздуха 85 %9 что соответственно на 1/4 и 1/3 меньше, чем у твердой древесины. При добавлении защитных средств плиты могут изготовляться биостойкими.
Перечисленные свойства ДВП СП способствуют широкому признанию их как конструкционного и отделочного материала.
Наибольшее развитие производство таких плит получило: в США. Впервые выпуск ДВП СП был организован фирдой " В настоящее время в 16 странах мира действует 26 предприятий по производству ДВП СП и девять находится в стадии строительства. Общий объём выпуска плит средней плотности составляет около 2 млилг
в год / 6 /. В США их производство организовано на II заводах, изготовляющих до 1,2 млн. м3 плит в год / 7 /.
в применении ДВП СП наблюдаются два основных направления: мебельная промышленность и деревянное панельное домостроение. Плиты используются как для полной обшивки панелей домов, так и в качестве декоративной отделки отдельных частей дома. Обшивку изготовляют либо гладкой, либо с рельефной и текстурной поверхностью для имитации грубо отделанных стен из старого дерева или досок. В Канаде и США ДВП СП успешно конкурируют с обшивками из алюминия, стали, пластмассы, фанеры и брусчатого пиломатериала. Они широко используются для изготовления оконных створок, дверных блоков, плинтусов и наличников.
Область применения древесноволокнистых плит средней плот - 9 нести с кавдым годом расширяется, и в настоящее время спрос на них далеко не удовлетворен даже в США.
Особенности технологии производства древесноволокнистых плит средней плотности сухим способом
Следует отметить, что плиты, вырабатываемые на различных заводах, значительно различаются по своим показателям, поскольку последние зависят от технологических факторов производства, влияющих на механизм образования плит /I - II/.
Существующие представления об образовании древесноволокнистых плит можно разделить на четыре группы / 12 /.
По наиболее простым представлениям древесноволокнистые плиты образуются в результате свойлачивания древесных волокон и адгезии их поверкностей. Согласно этим представлениям, продолжительность прессования должна измеряться отрезком времени, необходимым для уплотнения волокнистого ковра до такого состояния, чтобы переплетенные волокна припрессовывались друг к друху. Продолжительность прессования в этом случае зависит от продолжительности смыкания плит пресса, а также времени, необходимого для испарения воды и преодоления взаимного трения древесных волокон в процессе уплотнения ковра. Из этих представлений вытекает требование использования в производстве ДВП длинноволокнистого сырья с большой удельной поверхностью.
Ко второй группе относятся представления, согласно которым древесноволокнистые плиты образуются в результате сцепления волокон в точках их соприкосновения с помощью активированных компонентов древесины. При этом в центре исследований должно быть определение того компонента древесины, который в наибольшей степени участвует в образовании плиты. Согласно этим представлениям продолжительность прессования должна состоять из продолжительности смыкания плит пресса и уплотнения ковра, а также основного времени, необходимого дая активации некоторых компонентов древесины и развертывания реакций, приводящих к образованию смолоподобных веществ. Можно предположить, что увеличение количества смолоподобных веществ и продолжительности воздействия тепла приводит к улучшению качества плит. Практика частично подтверждает это предположение.
Влияние влажности волокна и толщины древесноволокнистой плиты на кинетику прогрева ковра
Кинетика прогрева поверхностного и среднего слоев Ш СП толщиной 12 мм I, 2 - температура среднего и слоев при температуре пресса 180 с и плотности плиты 800 кг/м3; 3,4— температура поверхностного и среднего слоев при температуре пресса 200 С и плотности плиты 800 кг/м3; 5, 6 -. температура поверхностного и среднего слоев при температуре пресса 200 С и плотности плиты 700 кт/wr вне этого теплопередача задеркивается, и температура в среднем слое не поднимается выше 115 С до момента испарения всей влаги из внутренней части плиты / 151 /. Зона испарения влаги движется от поверхности плиты к её средней части, влага при этом удаляется через поверхность контакта ДВП СП с плитами пресса / 151 /.
Вероятность такого механизма удаления влаги из объёма плиты подтверядают и температурные графики поверхностного и среднего слоев ДЕЛ СП (рис. 3.6). При плотности плиты 800 кг/м3 (графики I, 2, 3, 4) температура среднего слоя хотя и с запаздыванием, но достигает температуры поверхности при температуре пресса 180 С (графики I, 2) и 200 С (графики 3, 4). Далее температура среднего слоя поддерживается на одном уровне, что можно объяснить удалением паров воды через поверхность контакта. Максимальная температура поверхности ДВП при этом примерно на 40 С ниже температуры пресса, что можно объяснить расходом тепла на испарение воды.
Дополнительно установлено, что при увеличении продолжительности прессования до 1,5-2 мин/мм температура как поверхности, так и среднего слоя начинает приближаться к температуре нагревательных плит пресса. Уменьшение плотности прессуемой ДВП до 700 кг/м3 приводит к понижению температуры в среднем слое по сравнению с поверхностью (графики 5 и 6 на рис. 3.6). Это косвенно подтверждает предположение, что испарение воды из ДВП происходит не только через поверхность контакта, но и через кромки. Особенно это становится заметным с уменьшением плотности древесноволокнистых плит, вероятно, вследствие того, что сопротивление прохождению паров вдоль Л П пониженной плотности в среднем слое становится равным или даже меньшим, чем в поперечном направлении. Плотные слои, которые обычно образуются на глубине 0,7-1,0 мм от поверхности ДВП СП, значительно увеличивают сопротивление прохождению паров воды из внутренней части к поверхности контакта. Поэтову уменьшение плотности ДВЇЇ приводит к тому, что пары воды, образовавшиеся во внутренней части плиты, устремляются вдоль неё, преимущественно по среднему слою, где плотность и сопротивление наименьшие.
Подтверадением такого механизма фильтрации воды и паров являются эксперименты с красящим веществом (эозином). Краситель в водном растворе наносился на поверхность и в среднюю часть ковра, затем ковер прессовался. Прессование прерывали через различные промежутки времени, полученные плиты толщиной 12 мм разрезали и в разрезе определяли направление распределения окраски (рис. 3.7 и 3.8). Как видно из рисунков,краситель в начальный момент прессования движется вместе с водой от поверхности ДВП к среднецу слою, откуда он после прогрева всей ДВП до максимальной температуры начинает двигаться как к кромке, так и к плоскосии плиты. В направлении кромки продвижение краски происходит новном по среднему слою. В направлении плоскости она распространяется неравномерно, что, вероятно, связано с разноплотностьго подповерхностного твердого слоя. Сквозь этот слой краска проходит в местах с наименьшей плотностью, т.е. с наименьшим гидравлическим сопротивлением. Было отмечено также, что с уменьшением плотности ДВП СП краска по среднецу слою распространяется с большей скоростью и на большие расстояния. Учитывая, что краситель вместе с водой легко продвигается по материалу плиты, можно считать механизм фильтрации воды во время горячего прессования ДВП СП аналогичным механизму миграции красителя.
Таким образом, можно считать установленным, что для ускорения достижения температуры отверждения связующего в средней части ковра при прессовании ДВП СП необходимо поддерживать влажность волокна перед прессованием 14 - 16 %. При прессовании плит толщи - 54 Рис. 3.7 Филътрация влаги с красителем из поверхностного слоя ковра при прессовании ДВП СП: 1,2- соответственно через 100 и 160 с после начала прессования. ной более 12 мм температура в средней части ковра не развивается более 115 С до момента испарения всей влаги из объёма плиты. В этом случае продолжительность прессования должна быть увеличена до 1,5 мин/мм. Однако эксперименты в промышленных условиях показали, что температура 130 С в средней части ковра развивается при продолжительности прессования I мин/мм для ДВП СП толщиной до 22 мм И плотностью 800 кг/м . Увеличение температуры в промышленных условиях можно объяснить влиянием масштабного фактора. Однако и в этом случае увеличение толщины плит более 22 мм приводит к снижению температуры прогрева среднего слоя до 115 С. Следовательно фенсшоформальдезтидная смола марки СФЖ-3014 может быть использована для производства ДВП СП толщиной до 22 мм при влажности волокна перед прессованием 14-16 %, Производство более толстых плит требует значительного увеличения продолжительности прессования.
Увеличение плотности прессуемых древесноволокнистых плит позволяет значительно увеличить температуру прогрева ковра (рис. 3,9). Особенно заметное повышение температуры в среднем слое плиты наблвдается при прессовании ДВП СП с плотностью более 700 кг/м . По мере увеличения плотности до 800 кг/м скорость прогрева нарастает, а при большей плотности уменьшается. Это может быть объяснено тем, что при определенной плотности плит испаряемая из поверхностных слоев влага не уходит за пределы ДВП, а фильтруется во внутренние слои и прогревает их. Чем выше плотность шштн, а следовательно, и сопротивление пограничного слоя, тем больше паров остается в плите и отдает тепло для прогре—
Химические изменения компонентов древесины в процессе горячего прессования древесноволокнистых плит средней плотности
В поверхностных слоях ДВП СП увеличивается количество карбонильных групп (полосы поглощения I680-I720 см"1). Интенсив-ность полос поглощения I680-1720 ом уменьшается для образцов
Полосы поглощения 1650 см и 990-970 см обычно связыва-ются с наличием двойных связей / 156 /. Б наших экспериментах обнаружено усиление нтих полос для лигнина из поверхностных слоев ДЕЛ СП. С увеличением влажности интенсивноить полос уменьшается. сацтичного гидослаза углеводов» В твердом и ереднем слоях ДВП СП процено конденсации лигнина проходит д интессивной деструкцией лигнинк и образованием связпй между лигнином и углєво— дами На основании полученных данных можно предполагать, что образование псевдояигнина или смолоподобных веществ из углеводов, леящими свойствами, в процессе горячего прессования происходит за счет прививки промежуточных продуктов гидролиза углеводов к деструктированному лигнину. Поэтому увеличение лигнина в образцах плит обычно пропорционально уменьшению легко-гидролизуемых углеводов.
Процесс образования связей между лигнином и углеводами играет значительную роль в образовании прочной ДВП СП / 24/, так как волокна с поверхности покрыты лигнином и гемицеллюлозами. Приведенные результаты наших экспериментов подтверждают, что плита с повышенными показателями прочности и водостойкости получается при увеличении образования "псевдолигнина", определяемого как лигнин Класона, из легкогидролизуемых углеводов.
Значительные количественные и качественные изменения в процессе прессования ДВП претерпевают легкогидролизуемые углеводы. В дефибраторном волокне перед запрессовкой их содержится 41 % по отношению к сухому волокну, в плитах это количество уменьшается до 25 %, Наибольшее уменьшение легкогидролизуемых происходит в поверхностном слое ДВП СП за счет пиролитической деструкции. С увеличением влажности волокна перед прессованием содержание легкогидродизуемых в поверхностном и твердом слоях увеличивается, а в среднем уменьшается. Уменьшение количества легкогидролизуемых в среднем слое можно объяснить интенсификацией процесса образования трудногидролизуемых и смолоподобных веществ при возрастании влажности волокна перед прессованием до 16 %, При влажности волокна более 16 % гидролитические процессы вследствие уменьшения температуры в среднем слое затухают, что и приводит к снижению содержания легкогидролизуемых,
Развитие в древесине гидролитических и конденсационных процессов в условиях прессования ДВП СП подтверждается и ИК-спектрами гемицеллюлоз (рис. 4.14 и 4.15). Все спектры содержат широкую полосу в области 3000-3400 см"1, которую обычно относят к колебаниям спиртовых гидроксилов, включенных в водородную связь. Диффузионный характер полосы и её сдвиг в низкочастотную область относительно полосы свободных гидроксилов (3600 см ) подтверждает наличие водородной связи. В поверхностном слое ДВП СП эффективность поглощения этой полосы резко снижается, в твердом и среднем слоях снижение поглощения менее выражено.
Уменьшение числа гидроксильных групп в поверхностном слое, подтвержденное и химическими анализами (табл. 4.19), связано с интенсивно проходящей дегидратацией углеводов с последующей конденсацией. В твердом и среднем слоях число гидроксильных групп увеличивается за счет усиления процесса гидролитического расщепления углеводов под действием воды, тепла и давления.
Увеличение влажности волокна перед прессованием значительно снижает интенсивность поглощения гемицеллюлозами и в поверхностном слое. Повышенная влажность волокна заметно предохраняет ге-мицеллюлозы от дегидратации, что способствует сохранению химической активности волокна. Химическая активность гемицеллюлоз в основном определяется наличием гидроксильных и карбонильных групп. В процессах конденсации или связывания молекул углеводов с лигнином и между собой прежде всего должны расходоваться гидроксиль-ные группы как наиболее активные и доступные. Карбоксильные группы, содержащиеся в древесине, также должны принимать участие во всех химических превращениях углеводов. ностном слое древесноволокнистых плит. В твердом и среднем слоях число гидроксильных групп также уменьшается, но не в такой степени. В поверхностном же слое обнаружено увеличение содержания карбоксильных групп. Это можно объснить тем,что в поверхностном слое происходит окисление углеводов за счет каталитического влияния металла нагревательных плит пресса / 102 /.
Сложные химические процессы в углеводах подтверждаются и ЖК-спектрами древесноволокнистых плит, запрессованных в промышленных условиях Шекснинского завода ДВП при различных давлениях и влажности волокна /рис. 4.16/, Для сравнения одновременно были исследованы и твердые ДВП.
В качестве исходного вещества взята древесноволокнистая масса. Сравнение спектра I (рис.4.16) со спектрами 2-4 показывает значительные изменения спектров плит в сравнении со спектрами древесноволокнистой массы. Так, на участке 3800-3100 см"1 изменяется контур полосы валентного колебания гвдроксильных групп (как свободных,так и связанных водородными связями), что свидетельствует о вовлечении гидроксильных групп в различные типы новых водородных связей. В частности, со стороны низких частот (3200 см ) поглощение усиливается, характеризуя тем самым
Предлагаемая технологическая схема производства древесноволокнистых плит средней плотности
Для высушивания древесного волокна до определенной влажности и повышения эффективности использования связующего необходима сушилка, скорость агента сумей в которой должна быть не менее 30 м/с. Создать такую скорость в двухступенчатых сушилках трудно и энергоёмко. Поэтому нами совместно с Центральным научно-исследовательским институтом фанеры (ІЩИЙФ) и филиалом \1 I Специализированного проектно-конструкторского и технологического бюро ВНЇЇ0 "Союзнаучплитпром" разработана одноступенчатая сушилка (рис. 5.3) и технологический процесс сушки волокна.
Сушилка имеет длину около 100 м, что позволяет выравнивать влажность крупных и мелких волокон. Влажность волокна регулируется автоматически по температуре агента сушки на выходе из циклона в конце сушилки.
Испытания на Шекснинском заводе ДВП и Селецком ДОКе показали, что волокно после одноступенчатой сущилки имеет более стабильную влажность, чем после двухступенчатой (табл. 5.5). Это обстоятельство очень важно в связи с определяющей ролью влаги в образовании плит при горячем прессовании. м со ш - 140 С учетом результатов исследований разработана технологическая схема производства древесноволокнистых плит средней плотности толщиной 10-19 мм (рис. 5.4). Схема реализована в проекте цеха ДВП СП Селецкого ДОКа (проект ИЗ/9).
Технологической схемой предусмотрена одноступенчатая сушка волокна. Осмоление волокна осуществляется как в скоростных смесителях, так и в массопроводе после размольной установки. Наиболее равномерное распределение связующего в волокне достигается при введении смолы в массопровод. Однако в этом случае не исключается забивание массопровода смолой и волокном. В целях предотвращения этого явления нами разработана конструкция смесителя, позволяющая вводить связующее в количествах до 25 % без ухудшения качества осмоления (в сравнении с осмслением в массопроводе). Конструкция смесителя признана изобретением (а. с. № I02I629 А, бюл. 21; 07.06.83).
Размол щепы на волокно производится в размольных установках УГР-02. После сушки в одноступенчатых сушилках волокно с влажностью 12 - 16 поступает в бункеры-дозаторы волокна (бункер среднего слоя и бункер наружных слоев). Из бункеров волокно подается через весы на осмоление в скоростные смесители и далее в четырехкамерную вакуум-формирующую машину. Сформированные ковры поступают на горячее прессование в реконструированный 11-этажный пресс ПР-ЮМ. Древесноволокнистые плиты после прессования проходят через веерный охладитель (при использовании карбамидоформаль-дегидных смол), обрезку кромок и поступают на шлифование. Готовые плиты сортируются в соответствии с требованиями ТУ I3-6I4-8I. Проектная производительность цеха - 35 тыс. м3 плит в год.
- 141 Рис. 5.4. Технологическая схема производства древесноволокнистых плит средней плотности на Селецком ДОКе: I - рубительная машина; 2 - дезинтегратор; 3 - сортировка щепы; 4 - гидромойка; 5 - дозирующий насос; 6 - насос для подачи парафина; 7 - размольная установка; 8 - сушилка; 9, 10 - циклоны; II - бункер волокна среднего слоя; 12 - бункер волокна наружных слоев; 13 - весы; 14 - смеситель; 15 - вертикальный бункер волокна; 16 - четырех-камерная вакуум-форшругащая машина; 17 - подпрессовщик; 18 - горячий пресс ЇЇР-І0М; 19 - весы; 20 - веерный охладитель плит; 21 - участок сортировки; 22 - кондиционирование плит; 23 - шлифовальный станок; 24 - форматный раскрой плит.
Разработанная технология производства древесноволокнистых плит средней плотности на основе фенолоформальдегидной смолы внедрена в 1982 г. в цехе ДВП Балабановской экспериментальной фабрики (приложение I и 2) и в 1983 г.-в цехе древесноволокнистых плит сухого способа производства Селецкого ДОКа (приложение 3). Разработаны и утверждены: "Технологическая инструкция по производству древесноволокнистых плит средней плотности с применением фенолоформальдегидного связующего на Балабановской экспериментальной фабрике"; "Временная технологическая инструкция по производству древесноволокнистых плит средней плотности сухим способом на опытно-промышленной линии Селецкого ДОКа"; "Расчет ожидаемой экономической эффективности от организации производства древесноволокнистых плит средней плотности на основе фенолофорлальдегидной смолы" (приложение 4); "Технические условия на опытную партию. Плиты древесноволокнистые средней плотности для деревянного домостроения. ТУ I3-6I4-8I" (приложение 5); Оптовые цены на плиты древесноволокнистые средней плотности для деревянного домостроения" (приложение 6).
С учетом результатов исследований разработано техническое предложение на реконструкцию цеха ДВП сухого способа производства Селецкого ДОКа с переводом его на выпуск древесноволокнистых плит средней плотности, на основании которого институтом "Гипроплит-пром" разработан техно-рабочий проект реконструкции. Проект утвержден ВНПО "Союзнаучплитпром" приказом № 132 от 04.01.81г.
Приказом № 157 от 15.05.81 г. Минлесбумпрома СССР предусмотрен перевод цеха ДВП Селецкого ДОКа на выпуск плит средней плотности в 1983 г. В настоящее время изготовляется нестандартное оборудование и ведутся работы по реконструкции цеха. Подготовлено техническое предложение и в настоящее время ведутся работы по проектированию и созданию опытно-промышленной линии по производству древесноволокнистых плит средней плотности на Балабановской экспериментальной фабрике.
Разработана и внедрена на Селецком ДОКе и Шекснинском заводе ДШ высокоэффективная одноступенчатая сушилка древесного волокна, дающая возможность получать волокно стабильной влажности.
На Селецком ДОКе на линии профилированных плит внедрена холодная подпрессовка древесноволокнистых ковров до плотности 250-350 кг/м3, что позволило улучшить физико-механические свойства плит / 170 /.
Разработаны и утверадены Минлесбумпромом СССР 07.04.82 г. "Рекомендации по применению древесноволокнистых плит сухого способа в производстве панельных деревянных домов заводского изготовления", в которых древесноволокнистые плиты средней плотности рекомендовано применять в качестве экранов и наружных обшивок панелей стен и перекрытий малоэтажных деревянных домов.
