Введение к работе
Значительная прочность при малой плотности, сравнительно большая площадь листа, позволяющая выкраивать детали необходимого формата -все эти качества фанеры определили область ее применения как конструкционного материала строительного и поделочного назначения. В настоящее время основные проблемы совершенствования технологии производства фанеры направлены на повышение экологичности процессов, а также на получение готового продукта с низкой токсичностью, повышенной долговечностью и с минимальной формоизменяемостью в условиях влажностно-температурных воздействий.
Фанера - это гигроскопичный материал. Ее эксплуатация во влажной среде приводит к потере прочности, к формоизменяемости и биоповреждениям. Без специальной обработки фанерная продукция имеет ограниченный срок службы.
Для производства фанеры повышенной водостойкости в России применяются фенолоформальдегидные смолы (ФФС). Однако эти смолы токсичны и фанера на их основе согласно государственным стандартам запрещена к использованию внутри помещений.
В то же время в последние годы можно наблюдать возрастающий интерес к улучшению качества пиломатериалов при помощи термообработки. При этом, как известно термомодифицированная древесина благодаря изменениям, произошедшим с ней на молекулярном уровне, приобретает такие уникальные свойства, как повышенная водооталкиваемость, низкая гигроскопичность, устойчивость к гниению и воздействию вредителей.
Кроме того, в последние годы активно ведутся исследования в области создания композиционных материалов на основе термомодифициро-ванной измельченной древесины. При этом исследований, направленных на повышение влагостойкой фанеры путем термообработки шпона до сих пор не проводилось.
В связи с этим следует считать актуальной задачу исследования процесса контактного термомодифицирования шпона с последующим изготовлением из нее влагостойкой фанеры.
Настоящая работа выполнена при поддержке гранта по программе Старт № 10-4-НЗ.8-0085 «Создание полупромышленной установки по вакуумно-контактному термомодифицированию древесных материалов».
Степень разработанности проблемы. Проблемам исследования свойств древесины как древесного сырья в производстве влагостойких клееных материалов посвящены многие работы зарубежных и отечественных
4 ученых. Вопросам повышения водостойкости фанеры посвящены работы Е.И. Матюшенковой, Р.А. Веселовского, Н.П. Плотникова (Россия); вопросам влияния природных и модифицированных экстрактивных веществ древесины на свойства древесноволокнистых плит сухого формования посвящена работа Г.И. Царева (Россия); вопросам совершенствования технологии производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и минеральных вяжущих - работы Л.И. Аминова, И.Х. Наназашвили, С.Д. Каменкова (Россия); вопросам влияния термообработки на физико-механические, эксплуатационные свойства древесины - работы Andreas О. Rapp (Germany), Vincent Repellin (France), занимающегося также вопросами закономерностей изменения цветового решения древесины в процессе термомодифицирования.
Цель и задачи исследования состоят в разработке и обосновании технологии термического модифицирования шпона, с последующим изготовлением влагостойкой малотоксичной фанеры с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
-
Анализ научных основ и технологий совершенствования процесса производства фанеры, направленных на улучшение эксплуатационных, экологических характеристик и повышения влагостойкости.
-
Исследование современных технологий в области термического модифицирования древесины.
-
Экспериментальная оценка воздействия контактного термомодифицирования на физические свойства, химический состав и структуру шпона.
-
Разработка математической модели, позволяющей прогнозировать степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины шпона.
-
Экспериментальное подтверждение повышения водостойкости образцов фанеры, изготовленных из термомодифицированного шпона.
-
Разработка инженерной методики расчета физико-механических свойств фанеры, изготовленной из шпона в зависимости от степени термомодифицирования.
-
Обоснование экологической составляющей фанеры, изготовленной из термомодфицированного шпона.
-
Промышленная апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Предмет и объект исследования Предметом исследования является
технология термического модифицирования шпона в производстве фанеры. Объектами исследования являются листы шпона березы и фанера из листов шпона, прошедшего термомодифицирование.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической основой исследования являлись положения о комплексе свойств исходных компонентов, выступающих в качестве основных факторов формирующих эксплуатационные свойства фанеры. Теоретической базой исследований являлись работы ученых по исследованию модифицирования древесного сырья в производстве влагостойких клееных материалов, исследования физико-механических свойств влагостойкой фанеры и результаты лабораторных испытаний фанеры по проблеме показателей ее качества и безопасности, а также нормативные документы.
Эмпирическую основу составляли исследования физических и механических свойств объекта обработки, таких как: цветовые характеристики, температура и плотность, водо- и влагопоглащение, пределы прочности на сжатие, на статический изгиб, на растяжение и на скалывание фанеры.
Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие научные результаты:
1. Технология создания влагостойкой фанеры с низким классом
эмиссии.
2. Ресурсосберегающая технология контактного термического моди
фицирования шпона.
3. Математическая модель, позволяющая прогнозировать степень
термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени об
работки и толщины древесного материла.
-
Механизм изменения физических и физико-механических свойств фанеры, изготовленной из термообработанного шпона.
-
Обоснование экологичности влагостойкой фанеры, изготовленной из термомодифицированного шпона.
-
Результаты опытно-промышленной апробации производства влагостойкой фанеры на основе термомодифицированного шпона.
Научная новизна результатов работы. Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на термомодифицирование шпона с целью получения влагостойкой влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии:
1. Разработана технология создания влагостойкой фанеры с низким
классом эмиссии из термомодифицированного шпона.
2. Исследован способ термомодифицирования березового шпона
контактным методом.
-
Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины древесного материала.
-
Обоснована возможность использования фанеры, изготовленной из термомодифицированного шпона.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработке математической модели, которая позволяет определить степень термомодифицирования шпона в зависимости от параметров обработки.
Практическая значимость работы получена в результате комплексного исследования технологических процессов создания влагостойкой фанеры на основе термомодифицированного шпона:
разработан экспериментальный стенд и методика проведения исследований контактной высокотемпературной обработки древесного материала без доступа кислорода воздуха;
разработана технология создания влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии из термомодифицированного шпона
разработаны рациональные технологические режимы ведения процесса термического модифицирования шпона;
проведена апробация предложенной технологии получения влагостойкой фанеры в промышленных условиях.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и 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» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались на Международных конференциях «ММТТ-26» (Саратов), «Актуальные проблемы науки и образования» (Москва), «Наука. Технология. Производство - 2013» (Салават), «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома), «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2013» (Казань); на 1-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Лесной комплекс в XXI веке» (Казань); на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИГУ» (Казань).
Разработана и внедрена в производство в ООО «HI 111 «ТермоДрев-Пром» (г. Казань) пилотная установка для термического модифицирования шпона большого формата.
Разработана и принята к внедрению в технологический цикл производства клееных материалов процесс получения термомодифицированного шпона и изготовления из него влагостойкой фанеры предприятием 000 «Поволжский фанерно-мебельный комбинат» (г. Зеленодольск).
Теоретические положения создания влагостойких клееных материалов на основе термомодифицированного древесного сырья и методики экспериментальных исследований, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Основы строительного дела» и «Технология композиционных материалов».
Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд для исследования процесса термического модифицирования шпона, выполнены эксперименты и проведены опытно-промышленные испытания. Автором была разработана и смонтирована пилотная установка для термомодифицирования тонких листов древесины большого формата. Автор разработал способ термической обработки древесины. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и подана заявка на патент РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [2, 3, 7, 8, 10] - исследование влияния термообработки на эксплуатационные характеристики изделий из тонких листов древесин; [6, 11, 12, 13] - создание экспериментального стенда, получение и обработка экспериментальных данных; [1, 5, 14] - разработка конструкций промышленного аппарата; [4, 9, 15] - обоснование экономической эффективности аппаратурного решения технологического процесса.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
