Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цели и задачи исследований 10
1.1. Современное состояние производства древесных плит 13
1.2. Методы снижения токсичности древесных плит 18
1.3. Обзор безножевых способов производства древесных частиц 30
1.3.1. Оценка эффективности процесса получения волокноподобных частиц безножевыми способами измельчения древесины 30
1.3.2. Размол 33
1.3.2.1. Размол в дисковых мельницах 33
1.3.2.2. Размол в барабанных мельницах 36
1.3.2.2.1. Размол в зубчатых мельницах 36
1.3.2.2.2. Размол в ситовых мельницах 38
1.3.2.2.3. Размол в зубчато-ситовых мельницах 41
1.3.2.2.4. Размол в зубчато-щелевых и зубчато-щеле-ситовых мельницах 45
1.3.3. Удар 47
1.3.3.1. Измельчение стесненным ударом 47
1.3.3.2. Измельчение консольным и свободным ударом 50
1.3.4. Расщепление 52
1.3.5. Раздавливание 54
1.3.5.1. Измельчение раздавливанием в щековой дробилке 54
1.3.5.2. Измельчение прокаткой 55
1.4. Выводы, цели и задачи исследований 60
Глава 2. Исследование адсорбционных свойств древесных частиц, полученных различными способами измельчения древесины 65
2.1. Математическая модель, описывающая процесс адсорбции формальдегида древесными частицами 69
2.1.1. Теоретическое обоснование протекания процесса адсорбции на древесных частицах 69
2.1.2. Методика расчета величины адсорбции формальдегида древесными частицами 78
2.1.3. Оценка влияния основных параметров на величину адсорбции формальдегида древесными частицами 98
2.1.4. Определение величины полной удельной поверхности древесных частиц 103
2.2. Выводы 107
Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований 109
3.1. Комплексная методика определения адсорбционных свойств древесных частиц 111
3.1.1. Обоснование выбора комплекса методик для определения адсорбционных свойств древесных частиц 111
3.1.2. Описание экспериментальной сорбционной газодинамической установки 113
3.1.3. Описание аппаратуры, реактивов и приборов, используемых для определения содержания формальдегида в древесных частицах после процесса адсорбции 118
3.1.4. Описание комплексного проведения экспериментов для определения адсорбционных свойств древесных частиц 119
3.1.4.1. Подготовка сорбционной газодинамической установки к работе 119
3.1.4.2. Проведение процесса адсорбции формальдегида древесными частицами на сорбционной газодинамической установке 121
3.1.4.3. Определение содержания формальдегида в древесных частицах после процесса адсорбции 124
3.1.5. Анализ экспоненциального уравнения математической модели для расчета полного содержания
адсорбированного формальдегида в древесных частицах 126
3.2. Методика определения удельной наружной поверхности древесных частиц 128
3.3. Методика изготовления и определения свойств древесных плит 130
3.3.1. Обоснование выбора методики для определения влияния доли волокноподобных частиц на свойства древесных плит 130
3.3.2. Описание оборудования и исходных материалов для изготовления древесных плит в лабораторных условиях 131
3.3.3. Описание процесса изготовления древесных плит в лабораторных условиях 132
3.3.4. Описание методик определения качественных показателей экспериментальных древесных плит 135
3.3.5. Применение В-планов второго порядка для исследования влияния параметров производства на качество ПВЧ 136
3.4. Выводы 138
Глава 4. Экспериментальные данные 139
4.1. Определение фракционного состава и удельной наружной поверхности древесных частиц 141
4.1.1. Дробленка шпона 141
4.1.2. Игольчатая резаная стружка 142
4.1.3. Дробленая стружка 144
4.1.4. Лепестковая резаная стружка 145
4.1.5. Волокноподобные частицы 147
4.1.6. Крупное древесное волокно 148
4.1.7. Анализ параметров древесных частиц, полученных различными способами измельчения 150
4.2. Определение адсорбционных свойств древесных частиц, полученных различными способами измельчения 151
4.2.1. Сравнительный анализ древесных частиц на перфорированных поддонах 151
4.2.1.1. Древесные частицы равной толщины 152
4.2.1.2. Древесные частицы крупной и мелкой фракции 155
4.2.2. Сравнительный анализ древесных частиц в стеклянных бюксах 158
4.2.2.1. Древесные частицы крупной и мелкой фракции 159
4.2.2.2. Увлажненные древесные частицы крупной и мелкой фракции. Влажность частиц WH = 4 % 161
4.2.3. Сравнительный анализ древесных частиц осмоленных карбамидоформальдегидной смолой 163
4.2.3.1. Десорбция формальдегида из древесных частиц при температурно-влажностном воздействии. Расход смолы 8 % 164
4.2.3.2. Десорбция формальдегида из древесных частиц при температурно-влажностном воздействии. Расход смолы 16 % 166
4.2.3.3. Десорбция формальдегида из древесных частиц при нормальных условиях. Расход смолы 8 % 168
4.2.3.4. Десорбция формальдегида из древесных частиц при нормальных условиях. Расход смолы 16 % 170
4.2.4. Анализ адсорбционно-десорбционных свойств древесных частиц 172
4.3. Свойства древесно-стружечных плит из волокноподобных частиц 173
4.3.1. Сравнительный анализ свойств комбинированных плит из волокноподобных частиц и резаной стружки 173
4.3.2. Определение параметров рационального технологического режима производства плит из волокноподобных частиц 196
4.3.2.1. Рациональный технологический режим прессования ПВЧ 197
4.3.2.2. Рациональные параметры конструкции ПВЧ 201
4.3.2.3. Определение свойств поверхностного слоя ПВЧ 212
4.4. Выводы 216
Глава 5. Технико-экономическое обоснование производства древесных плит из волокноподобных частиц 218
5.1. Технологическая линия для производства древесных плит из волокноподобных частиц 220
5.1.1. Обоснование выбора технологической линии для производства ПВЧ 220
5.1.2. Оборудование для производства ПВЧ 221
5.1.3. Технология производства ПВЧ 225
5.1.3.1. Характеристики плит из волокноподобных частиц 225
5.1.3.2. Основные требования к сырью и материалам 227
5.1.3.3. Описание технологического процесса производства ПВЧ 229
5.1.3.3.1. Прием, хранение и учёт древесного сырья и химических материалов 229
5.1.3.3.2. Подготовка древесного сырья в производство 232
5.1.3.3.3. Изготовление волокноподобных частиц 233
5.1.3.3.4. Сушка волокноподобных частиц 235
5.1.3.3.5. Сортировка сухих волокноподобных частиц 235
5.1.3.3.6. Проклейка волокноподобных частиц 237
5.1.3.3.7. Формирование стружечного ковра из волокноподобных частиц 238
5.1.3.3.8. Прессование ПВЧ 239
5.1.3.3.9. Послепрессовая обработка ПВЧ 239
5.1.3.3.10. Шлифование ПВЧ 240
5.1.3.3.11. Ламинирование ПВЧ 241
5.1.3.4. Рациональный технологический режим производства ПВЧ 241
5.1.4. Обеспечение экологической и технической безопасности производства 242
5.1.4.1. Отработанный воздух 242
5.1.4.2. Сточные воды 243
5.1.4.3. Шум 243
5.1.4.4. Отработанный газ 244
5.1.4.5. Участок ламинирования плит 244
5.1.4.6. Техническая безопасность 244
5.1.5. Потребность в обслуживающем персонале 244
5.2. Экономическое обоснование эффективности производства плит из волокноподобных частиц 247
5.2.1. Обоснование потребности инвестиций на реализацию проекта по внедрению линии для производства ПВЧ 247
5.2.2. Затраты на производство ПВЧ и экономическая эффективность от реализации проекта 249
5.2.3. Сроки окупаемости инвестиций по внедрению технологической линии для производства ПВЧ 254
5.3. Выводы 255
Основные выводы и рекомендации по работе 257
Заключение 260
Литература
- Обзор безножевых способов производства древесных частиц
- Методика расчета величины адсорбции формальдегида древесными частицами
- Описание аппаратуры, реактивов и приборов, используемых для определения содержания формальдегида в древесных частицах после процесса адсорбции
- Анализ параметров древесных частиц, полученных различными способами измельчения
Введение к работе
В настоящее время перед отечественным плитным производством стоят следующие основные задачи: восстановление и повышение объемов производства, увеличение конкурентоспособности и повышение качества плит, снижение материалоемкости производства, экономически эффективное снижение токсичности плит и улучшение качества поверхностного слоя плит для ламинирования. Одна из основных причин сокращения объемов производства и продаж ДСтП заключается в неудовлетворительном качестве продукции и несоответствие её требованиям стандартов из-за устаревших технологий и технологических линий. Поэтому разработка новых технологий производства древесных плит, соответствующих современным требованиям качества, экономичности, экологии и безопасности, является значимой актуально-практической задачей.
Существенное преимущество, значимость и актуальность данной работы заключается в системном научно-техническом подходе к решению всех актуальных проблем современного плитного производства за счет технологических решений, оптимального выбора оборудования, рациональных режимов производства, научно-прикладного изучения и максимального использования свойств натуральной древесины и древесных частиц, полученных эффективными способами измельчения.
Целью работы является разработать материалоемкую технологию производства высококачественных древесных плит с низким содержанием свободного формальдегида, соответствующих ГОСТ 10632-89 "Древесностружечные плиты. Технические условия" и пригодных для ламинирования по ГОСТ Р52078-2003 "Плиты древесно-стружечные, облицованные пленками на основе термореактивных полимеров. Технические условия", за счет широкого использования эффективных свойств волокноподобных древесных частиц, полученных безножевыми способами измельчения древесного сырья. В требованиях к разработке современных технологий производства плит широкого диапазона использования накладываются обязательные требования: низкая материалоемкость и экономичность производства; высокие физико-механические показатели плит; экологичность производства и низкие показатели содержания и выделения вредных веществ из плит; водо-, огне-и биостойкость; пригодность к декоративной отделки облицовочными материалами и нанесению декоративных профилей.
Высокие качественные показатели физико-механических свойств плит делают их незаменимыми материалами в производстве мебели, строительстве и других областях применения. Развитие и прогнозирование этих свойств за счет применяемой технологии производства возможно лишь при глубоком понимании физико-химических процессов, протекающих на разных стадиях производства плит. Изучение физико-химических основ образования древесных плит позволяет не только
вникнуть в суть происходящих явлений и определить влияние технологических факторов на развитие качественных свойств получаемых материалов, но и управлять технологией с целью получения материалов с заданными свойствами. Особое значение в современной технологии производства плит придается внедрению способов повышения качества плит, приводящих к снижению выделения из них вредных веществ.
Древесина как сырьё и синтетические материалы, используемые в производстве плит, в основном определяют их свойства и являются мощным экономическим рычагом в современных рамках работы предприятия. Около 50 % затрат на производство единицы продукции падает на сырье и материалы. Отсюда глобальными задачами плитной промышленности являются снижение материалоемкости продукции, расходов сырья и материалов на 1 м плит, токсичности плит.
Научная новизна диссертационной работы обусловлена разработкой комплексной методики исследования адсорбционных свойств древесных частиц различного вида, экспериментально и теоретически, с помощью сорбционной газодинамической установки и математической модели, адекватно описывающая данный процесс. Определено влияние вида, структуры, породного состава и геометрических размеров древесных частиц на адсорбцию, десорбцию и связывание формальдегида. Это позволяет прогнозировать влияние вида древесных частиц на содержание свободного формальдегида и его выделение в готовых плитах. Изучение влияния использования волокноподобных частиц на качество древесностружечных плит построено на сравнительном анализе основных физико-механических показателей, содержания свободного формальдегида и поверхностного слоя древесных плит с различной конструкцией: комбинированных древесных плит из волокноподобных частиц и резаной стружки (КГТВЧ), плит полностью из волокноподобных частиц (ПВЧ) и ДСтП из традиционной резаной стружки. Технология производства плит из волокноподобных частиц включает в себя детально разработанную технологическую линию и рациональный режим изготовления высококачественных ПВЧ с классом эмиссии формальдегида Супер-El и низкой материалоемкостью.
При выполнении работы использовались известные теории процессов адсорбции и диффузии газообразных и жидких веществ различными твердыми пористыми телами, классические методы исследования адсорбции и определения адсорбционной емкости материалов, анализа дифференциальных уравнений, расчета технологических параметров производства древесных плит и определения свойств плит. Поставленные задачи решались с применением ЭВМ с помощью современных САПР, графических и вычислительных программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях на разработанных установках и технологическом оборудовании согласно принятым методикам и планам экспериментов, и полностью согласовывается с эмпирическим опытом
других исследователей в соответствующих областях. Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью методов математической статистики.
Основные положения и результаты работы опубликованы в 6 печатных статьях и доложены на ряде научных конференций: научно-технических конференциях Московского Государственного Университета Леса в 2003-2005 годах; научных конференциях докторантов и аспирантов МГУЛ в 2003-2005 годах.
На защиту выносятся основные положения диссертации, содержащие элемент научной новизны:
математическая модель, адекватно описывающая процесс адсорбции формальдегида из парогазовых смесей древесными частицами различного вида и размеров;
зависимости влияния параметров основного уравнения математической модели на величину адсорбции;
экспериментальные данные адсорбции и десорбции формальдегида древесными частицами различного вида;
технология производства древесных плит повышенного качества с использованием во внутренних и наружных слоях волокноподобных частиц, полученных безножевыми способами измельчения древесного сырья;
сравнительный анализ основных физико-механических параметров, содержания формальдегида и качества поверхностного слоя древесностружечных плит полностью из волокноподобных частиц (ПВЧ), комбинированных плит из волокноподобных частиц и резаной стружки (КПВЧ) и ДСтП;
высокие физико-механические показатели плит из волокноподобных частиц позволяют снизить материалоемкость их производства за счет приведения основных параметров до нижних границ стандартов;
технико-экономическое обоснование по внедрению технологической линии для производства высококачественных плит из волокноподобных частиц;
- экономические расчеты, показывающие снижение себестоимости
производства ПВЧ по сравнению с ДСтП благодаря уменьшению
материалоемкости;
технологическая инструкция по производству древесностружечных плит из волокноподобных частиц, отвечающих требованиям ГОСТ 10632-89 "Плиты древесно-стружечные. Технические условия" на современных линиях периодического и непрерывного способа прессования.
Практическая ценность проведенных исследований адсорбционных свойств древесных частиц, полученных различными способами измельчения, и разработанная математическая модель процесса адсорбции формальдегида из парогазовых смесей позволяет оценивать
адсорбционные свойства частиц различного вида и прогнозировать содержание свободного формальдегида в готовых плитах. Разработаны конструкции и проведен сравнительный анализ качественных показателей древесно-стружечных плит с различной долей использования волокноподобных частиц. Определены основные параметры рационального режима производства плит из волокноподобных частиц с минимально возможной материалоемкостью и низким содержанием свободного формальдегида. Разработана, согласована и утверждена технологическая инструкция по производству древесно-стружечных плит из волокноподобных частиц для внедрения в промышленность. Детально разработан и просчитан аванпроект по внедрению современной технологической линии непрерывного способа прессования для производства ПВЧ. Рассчитана общая себестоимость производства ПВЧ, сроки окупаемости инвестиций и экономическая эффективность по сравнению с ДСтП.
Таким образом, конечным результатом данной работы является получение новых плитных материалов высокого качества за счет технологического усовершенствования процесса производства древесностружечных плит, что будет непременно способствовать повышению конкурентной способности российских технологий и плитных материалов перед импортными плитами ДСтП и МДФ на внутреннем и мировом рынках.
*
Обзор безножевых способов производства древесных частиц
При изучении процесса измельчения необходимо выяснить зависимость между полезно затраченной энергией и качественными характеристиками полученных частиц. При выборе критериев оценки процесса измельчения необходимо учитывать экономические и технологические аспекты. Это требование обусловлено тем, что при измельчении должны быть получены частицы, обеспечивающие высокое качество плит при возможно меньших затратах энергии.
Цель измельчения - образование новых поверхностей. Поэтому целесообразно связывать затраты энергии с образованием продольных и торцевых поверхностей частиц. Условия образования поверхностей различны в связи с анизотропной структурой древесины. Таким образом, в качестве критериев оценки процесса получения волокноподобных частиц можно использовать следующие показатели: 1. Эффективность измельчения древесины вдоль волокон Ев: .в AFH Ев= ; (1.1) 2. Эффективность измельчения древесины поперек волокон Еп: AF" Еп= -; (1.2) 3. Коэффициент анизометрии процесса измельчения КА: AFB к -г; (1-3) 4. Фракционный состав; 5. Средние размеры частиц во фракциях. где AFB и AFn - приращения продольной и торцевой поверхностей древесины; А - затраченная работа.
Показатели Ев и Еп определяют эффективность измельчения древесины вдоль и поперек волокон, коэф. анизометрии отражает в частицах соотношение длины к толщине. В процессе измельчения важно получить КА как можно выше, так как анизометричность волокноподобных частиц напрямую влияет на прочность плит.
Определение приращения удельной поверхности материала связано с необходимостью определения удельной поверхности частиц. Существуют различные методы определения величины удельной поверхности измельченного материала: метод адсорбции поверхностью частиц различных веществ, метод фильтрации жидкостей или газов через слой частиц, метод серебрения, оптический метод, метод измерения скорости растворения частиц, метод измерения теплоты смачивания, электронно микроскопический метод, метод седиментационного анализа, геометрический метод, метод параметрического резонанса, ионообменный метод и др. Однако все методы, кроме геометрического, из-за сложностей, связанных с характерными особенностями их проведения, практически не находят применения при определении поверхности измельченной древесины.
Применение геометрического метода базируется на допущениях: поверхность предполагается абсолютно гладкой, а форма правильной. Наилучшее приближение к результатам замеров дает вариант, основанный на предположении, что частицы имеют круглое поперечное сечение с диметром d равным среднему из двух взаимно перпендикулярных замеров (а и Ь) их толщины: d = , [мм] (1.4) Приращение удельной продольной поверхности древесины при ее измельчении безножевыми способами определяется: AFyBfl = Fy\4 - F o, [1/мм] (1.5) где Fyfl ч - удельная продольная поверхность частиц, 1/мм; Рудо - удельная продольная поверхность образца, 1/мм.
Удельная продольная поверхность частиц с учетом принятых выше допущений имеет выражение: )/ ( } УДЧ 2(rnid2) где п - количество частиц в каждой фракции; d, I - диаметр и длина частиц в каждой фракции соответственно, мм. Удельная продольная поверхность волокноподобных частиц цилиндрической формы: Fy\o= = f,[l/MM] (1.7) где Го, d0, Q - радиус, диаметр и длина частиц соответственно, мм. Тогда уравнение для определения приращения удельной продольной поверхности древесины принимает вид:
Если придерживаться допущений, что все частицы имеют правильную цилиндрическую форму и одинаковую плотность, то: где со - вес каждой фракции, г; у - плотность древесины, г/мм3.
Следовательно, для определения показателей процесса получения волокноподобных частиц необходимо знать только средние размеры частиц по определяющему свойству - удельной поверхности, размеры образцов древесного сырья и удельные затраты энергии. Принятый геометрический метод не отражает точной формы частиц. Тем не менее, этот метод дает достаточно достоверные результаты при сравнительной оценке поверхностей нескольких видов измельченной древесины, так как влияние формы в разных группах частиц на количественные показатели можно считать незначительными. [2, 27, 63,144]
Методика расчета величины адсорбции формальдегида древесными частицами
Система приведенных выше уравнений показывает, что для определения уравнения для расчета полного количества адсорбированной содержащей формальдегид парогазовой смеси древесными частицами необходимо определить приведенный коэффициент молекулярной диффузии и приведенный расчетный размер тела, которые необходимо привести к наружной удельной поверхности частиц с учетом породного состава древесины и способа измельчения древесного сырья.
Физическую модель древесных частиц с учетом выше изложенного достаточно представить в виде плоской пластины. Многомерность и сложность реальных древесных частиц будет учитываться по геометрическим размерам через приведенный расчетный размер ds, а способ измельчения древесины, который определяет вид, форму, структуру и строение частиц, и породный состав через приведенный коэффициент молекулярной диффузии Dv. Как видно их уравнения (2.12) для древесных частиц в виде модели плоской пластины на величину критерия Фурье оказывает влияние размер частиц в направлении переноса, поэтому для выявления принципиальных зависимостей приведенного коэффициента диффузии от вида древесных частиц необходимо проводить исследования на частицах равной толщины. Для этого был проведен соответствующий эксперимент по насыщению различных древесных частиц равной толщины содержащей формальдегид парогазовой смесью на исследовательской сорбционной газодинамической установке. Для исследования были отобраны частицы одной породы древесины, наиболее принципиально отличающиеся по виду и способу измельчения: ВЧ -волокноподобные частицы, ЛС - лепестковая стружка, ШП - дробленка шпона. Волокноподобные частицы получены безножевым способом измельчения на модифицированной зубчато-ситовой дробилке-мельнице ДМ-8М, предназначенной специально для получения крупных и мелких ВЧ. Такой вид частиц получается благодаря специальным размольным сегментам барабана и бил ротора. Лепестковая стружка получена резанием на стружечном станке с ножевым валом. Дробленка шпона получена дроблением в молотковой мельнице отходов производства шпона. Исследования проводились на крупных и мелких древесных частицах с различной наружной удельной поверхностью. Исходные данные проведения процесса адсорбции на исследовательской сорбционной газодинамической установке представлены в таблице 2.1.
Все необходимые справочные величины и константы парогазовой смеси, насыщенной газообразным формальдегидом и являющейся для древесных частиц адсорбатом, и формальдегида представлены в справочниках и пособиях. [45, 46, 81-84, 87, 88, 90, 91, 124, 126, 129]
После насыщения древесных частиц парогазовой смесью в течение заданного времени адсорбции содержание формальдегида в древесных частицах находилось прямым экстрагированием водой с последующим йодометрическим определением, а общее количество адсорбированного вещества по изменению начальной и конечной массы навески. Параметры древесных частиц и полученные экспериментальные данные представлены в таблицах 2.2 и 2.3. где d, b, L - толщина, ширина и длина древесных частиц соответственно, мм: Хэ - содержание формальдегида в древесных частиц после адсорбции, определяемое прямой экстракцией, мг фор/100 г стр.
Определить приведенный коэффициент молекулярной диффузии парогазовой смеси в древесных частицах можно решением системы уравнений (2.16)-(2.17). Однако вычленить критерий Фурье из основного уравнения (2.17) для получения необходимых неизвестных не представляется возможным. Поэтому необходимо определить решение системы уравнений (2.9)-(2.17) с исходными данными, полученными экспериментально на исследовательской сорбционной установке и представленными в таблицах 2.1-2.3.
Для древесных частиц, представленных моделью в виде плоской пластины, характерный размер тела равен половине толщины и не учитывает ширину и длину. Расчетный размер древесных частиц приводится к наружной удельной поверхности аналитически, исходя из закономерностей зависимости величины удельной наружной поверхности от геометрических размеров частиц. Такая зависимость была установлена из сравнительного анализа экспериментально определенных величин удельной наружной поверхности древесных частиц, полученных различными способами измельчения и представленных в главе 4, от их толщины. Расчетный размер древесных частиц dz приводится к удельной наружной поверхности с высоким уровнем точности: где Кпр - поправочный коэффициент приведения расчетного размера частиц к их удельной наружной поверхности.
Поправочный коэффициент приведения расчетного размера Кпр определяется для каждого вида древесных частиц, исходя из того, что по экспериментальным данным была установлена прямая зависимость между толщиной получаемых частиц и величиной их наружной удельной поверхности.
Описание аппаратуры, реактивов и приборов, используемых для определения содержания формальдегида в древесных частицах после процесса адсорбции
Комплексная методика состоит из двух основных частей: насыщения древесных частиц содержащей формальдегид парогазовой смесью и определения содержания адсорбированного формальдегида в частицах химическим способом. Содержание формальдегида в различных древесных частицах показывает их адсорбционные и десорбционные свойства.
Анализ литературных данных по методам изучения адсорбционных свойств различных адсорбентов и определения величины их удельной поверхности показали, что существует достаточное большое количество принципиально различных методов: метод адсорбции различных веществ, метод фильтрации жидкостей или газов, метод ионного серебрения, оптический метод, метод измерения скорости растворения частиц, метод измерения теплоты смачивания, электронно-микроскопический метод, метод седиментационного анализа, метод параметрического резонанса, ионообменный метод, масс-спектрометрический метод, газовая и молекулярно-жидкостная хроматография, метод объемного заполнения, весовой метод, пирометрический метод, метод ЯМР и д.р. [24, 27, 37] Из всех выше перечисленных методов наиболее простым в реализации и наиболее часто используемым является метод адсорбции паров газообразных веществ. Который заключается в прокачке через навеску адсорбента пара газообразного вещества с малым диаметром молекулы (азот, неон, спирт и д.р.) при определенном относительном давлении. По массовой разнице между количеством пара до и после прокачки определяется величина адсорбции и рассчитывается согласно принятой теории полная удельная поверхность адсорбента. Поэтому данный адсорбционный метод был взят за принципиальную основу в разработке собственной методики для определения адсорбционных свойств древесных частиц, которая заключается в адсорбции частицами формальдегида. Первоначальные эксперименты насыщения древесных частиц парами формальдегида над раствором формалина в эксикаторе не позволяли получить для разных видов частиц отличительных данных. Это связано с тем, что в замкнутом объеме устанавливается равновесие между давлением паров в эксикаторе и давлением над поверхностью частиц. В результате интенсивность адсорбции формальдегида древесными частицами различного вида становится практически одинаковой. Отличие наблюдается только в первые 24 часа процесса и эти данные показывают более высокую величину адсорбции формальдегида именно у волокноподобных частиц (ВЧ). Поэтому было необходимо создать установку, которая бы обеспечила динамическую прокачку паров формальдегида через частицы.
Для этого была разработана и смонтирована лабораторная сорбционная газодинамическая установка для насыщения древесных частиц содержащей формальдегид парогазовой смесью с целью определения их адсорбционных свойств. Принципиальная работа установки заключается в образовании паров формальдегида по средствам интенсивного испарения формалина, максимальным обезвоживанием данного пара на поглотителях с целью получения паров чистого формальдегида и прокачкой полученной парогазовой смеси с высокой концентрацией формальдегида через навеску древесных частиц. Древесные частицы адсорбируют на своей поверхности данную парогазовую смесь в зависимости от своих адсорбционных свойств, которые в значительной степени определяются способом измельчения древесины.
Содержание формальдегида адсорбированного древесными частицами в результате процесса адсорбции определяется наиболее простым и доступным химическим методом. За основу методики определения содержания формальдегида после адсорбции в древесных частицах было принято определение содержания формальдегида в древесно-стружечных плитах по методу WKI, который основан на адсорбции дистиллированной водой выделяющегося из образцов ДСтП формальдегида в определенном объеме при температуре 40С в течение 24 часов, с дальнейшим определением содержания формальдегида в воде йодометрическим методом. Принципиальное отличие от данной методики от WKI заключаются в том, что мы используем навеску древесных частиц после адсорбции, которая помещается в стеклянный бюкс, устанавливаемый в объем выделения. Также с целью определения полного содержания адсорбированного формальдегида используется методика прямого экстрагирования формальдегида из древесных частиц водой в замкнутом объеме, которая заключается в растворении всего количества формальдегида в воде. Данная методика также вытекает из метода WKI, с тем отличием, что навеска древесных частиц помещается непосредственно в предназначенную для адсорбции формальдегида воду. Содержание формальдегида в воде определяется также йодометрическим методом. Данный способ позволяет оценить полное количество адсорбированного частицами формальдегида, так как при определении содержания формальдегида с помощью навески в бюксах в результате установления равновесия между давлением паров над поверхностью воды и частиц, десорбция формальдегида в воду прекращается, что и подтверждают экспериментальные данные.
Оба этих метода позволяют оценить величину адсорбции формальдегида древесными частицами. Между величинами адсорбции при прямой экстракции и модифицированного метода WKI существует зависимость, выведенная в главе 2 по результатам экспериментальных данных. Принципиальная схема сорбционной газодинамической установки для насыщения древесных частиц содержащей формальдегид парогазовой смесью представлена на рис. 3.1.
Данная установка предназначена для динамического проведения процесса адсорбции формальдегида древесными частицами, полученными различными способами измельчения древесины. Принципиально работа установки заключается в насыщении объема, в котором находится навеска древесных частиц газообразным формальдегидом. Газообразный формальдегид образуется в результате испарения при температуре кипения водного раствора формальдегида - формалина и его последующего обезвоживания с помощью химического водного поглотителя. Закачка паров формальдегида в объем, где происходит процесс адсорбции, осуществляется за счет отсасывания из него воздуха и всасывания парогазовой смеси. Создание пониженного давления за адсорбционным объемом обеспечивается за счет разряжающей емкости, а перепад давления контролируется с помощью манометра.
Анализ параметров древесных частиц, полученных различными способами измельчения
Выбранные методики проведения экспериментов позволили сделать качественную оценку осуществленных исследований. Правильность выбора методик, исходных данных, последовательность и режимы проведения способствовали получению достоверных результатов с необходимой для научно-технических исследований чистотой данных.
Комплексная методика определения адсорбционных свойств древесных частиц явилась результатом многочисленных предварительных экспериментов основанных на переработке, анализе и систематизации литературных источник, посвященных изучению адсорбционных свойств и определению удельной поверхности различных адсорбентов, мелкодисперсных и пористых материалов. Режим проведения процесса адсорбции содержащей формальдегид парогазовой смеси древесными частицами отражает характер воздействий, которым подвержены частицы при изготовлении ДСтП. Таким образом, принятая методика позволила подтвердить выдвинутые теоретические предпосылки влияния способа измельчения и вида получаемых частиц, выявить и качественно охарактеризовать протекание процесса адсорбции на различных древесных частицах и определить их адсорбционную эффективность. Разработанная газодинамическая установка обладает простотой конструкции и функциональностью. В результате чего она может быть легко смонтирована в лабораторных условиях и на ней возможно проведение целевых исследований по изучению процесса адсорбции древесными частицами различных парогазовых смесей. Данные, полученные с помощью комплексной методики изучения адсорбционных свойств древесных частиц, позволяют прогнозировать содержание свободного формальдегида в готовых плитах.
Качественные показатели полученных экспериментальных древесных плит определялись по стандартным методикам, принятых для ДСтП по ГОСТ 10632-89 "Плиты древесно-стружечные. Технические условия" и ГОСТ Р52078-2003 "Плиты древесно-стружечные, облицованные пленками на основе термореактивных полимеров. Технические условия". Применение стандартных методик позволило получить необходимые качественные показатели КПВЧ и ПВЧ, сопоставить их соответствие с требованиями стандартов, предъявляемых для древесно-стружечных плит общего назначения, и сравнить с показателями для традиционных ДСтП из резаной стружки. Применяемые в изготовление плит технологические режимы отражают действующие современные требования к процессу изготовлению ДСтП и реальные технологические режимы, используемые отечественными и зарубежными предприятиями для получения высококачественных плит с низкими экономическими затратами. Выбранные методики позволили достоверно и качественно подтвердить значительные преимущества плит из волокноподобных частиц перед традиционными ДСтП.
В данном разделе представлены экспериментальные данные по проведенным научно-исследовательским опытам в рамках данной диссертационной работы. Результаты проведенных экспериментов представлены в трех разделах.
В первом разделе приведены данные по исследованию фракционного состава, геометрических размеров и удельной наружной поверхности древесных частиц, полученных различными способами измельчения древесины. Рассматривались все типичные для производства древесных плиты виды частиц: игольчатая, плоская, волокнистая. Все древесные частицы получены на современном промышленном оборудовании с принципиально различными способами стружкообразования. Для исследования были отобраны древесные частицы, полученные на дробилке, стружечном станке, дробилке-мельнице, стружечном станке фрезерного типа, зубчато-ситовой дробилке-мельнице, дефибраторе. Все частицы имеют характерный отличительный внешний вид, форму и структуру. Полученные данные будут использованы для проведения экспериментов по исследованию адсорбционных свойств древесных частиц и изготовлению экспериментальных древесных плит.
Второй раздел посвящен экспериментальным данным по изучению адсорбционной способности древесных частиц, полученных различными способами измельчения древесины. Экспериментальные данные необходимы для подтверждения точности теоретических уравнений математической модели по расчету величины адсорбции формальдегида древесными частицами и для подтверждения предпосылок об более эффективной адсорбции формальдегида волокноподобными частицах. В разделе представлены данные по определению йодометрическим методом содержания формальдегида в древесных частицах после процесса адсорбции модифицированным методом WKI и прямой экстракцией водой. Эти данные позволят сравнить адсорбционную эффективность древесных частиц между собой и дать заключение об эффективности снижения содержания свободного формальдегида в готовых плитах, изготовленных из этих частиц.
В третьем разделе представлены данные по свойствам древесных плит из волокноподобных частиц и их сравнение с ДСтП из традиционной резаной стружки. Для плит из волокноподобных частиц (КПВЧ и ПВЧ) рассматривались основные физико-механические и токсические свойства: прочность при статическом изгибе, прочность перпендикулярно пласти, разбухание по толщине, шероховатость поверхности, твердость лицевого слоя, отрыв лицевого слоя и содержание свободного формальдегида. Все эти данные необходимы для того, чтобы подтвердить более высокое качество таких плит по сравнению с традиционными ДСтП. Особенное внимание уделяется сравнительной характеристике содержания формальдегида в плитах, чтобы подтвердить теоретические предположения о значительном снижении содержания формальдегида в ПВЧ за счет эффективных адсорбционных свойств ВЧ.
