автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Формирование композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции

На правах рукописи

Свешников Александр Сергеевич

ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ШПОНА И ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 АПР 2014

Санкт-Петербург 2014

005547528

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Костромско государственный технологический университет» на кафедр лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Угрюмов Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты: Разиньков Егор Михайлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», заведующий кафедрой механической технологии древесины

Штембах Анатолий Паулович, кандидат технических наук, доцент, ООО «ФАЭТОН», г. Санкт-Петербург, начальник отдела реализации технологий и оборудования для деревообработки

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный

лесотехнический университет»

Защита состоится 4 июня 2014 г. в 11:00 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.220.03 при Санкт Петербургском государственном лесотехническом университете им. С.М. Киров (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТУ и на сайте www.ftacademv.ru

Автореферат разослан « ¥ » апреля 2014 г.

Ученый секретарь .

диссертационного Совета Алексей Романович Бирман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в деревообработке наметилась тенденция к увеличению объемов выпускаемой клееной продукции. В связи с развитием фанерной промышленности приобрели значимость вопросы повышения эффективности производства, сокращения расходов сырья на производство единицы продукции, переработки образующихся отходов, снижения себестоимости продукции при сохранении ее качества.

Основная часть фанерных предприятий нашей страны вырабатывает продукцию на основе березового лущеного шпона, однако березовое сырье является достаточно дорогим, его стоимость в структуре себестоимости фанеры составляет 40...45%.

При производстве фанеры неизбежно образуются отходы - шпон-рванина, кусковый шпон, карандаши, отходы от форматной обрезки фанеры и др. Целесообразно использовать измельченные древесные отходы фанерного производства для изготовления древесного композиционного материала. Основу прочности такого материала составляет лущеный шпон, а композиция на основе древесных частиц, смешанных с синтетическим клеем, наполняет его. Производство композиционного материала с наружными слоями из шпона, внутренними слоями на основе измельченных древесных отходов с возможностью регулирования свойств в соответствии с назначением позволит эффективно утилизировать образующиеся отходы, уменьшить расход шпона и себестоимость готовой продукции.

В этой связи развитие теории и практики производства композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции является актуальной научной задачей, что и определило выбор темы исследования.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам повышения эффективности фанерного производства и создания древесных композиционных материалов занимались российские ученые: В.И. Онегин, В.А. Куликов, Д.А. Щедро, А.Н. Чубинский, A.A. Лукаш, А.Б. Чубов, Ю.И. Цой, В.П. Стрелков, В.Е. Цветков, С.А. Угрюмов и другие.

Поисковый анализ научно-технической литературы показал, что перспективным направлением повышения эффективности фанерного производства является возвратное использование древесных отходов и снижение материалоемкости производства.

Цель работы - обоснование структуры и технологии композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи теоретических и экспериментальных исследований:

1. Обоснование рациональной структуры композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции.

2. Экспериментальное исследование физико-механических свойств композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции.

3. Обоснование методики оценки межфазного взаимодействия в композиционном материале.

4. Разработка технологии и рациональных режимов склеивания

композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции.

5. Обоснование экономической целесообразности предлагаемых технических решений.

Научной новизной обладают:

- структура композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции, отличающаяся от известных наличием листа шпона в центральном слое;

- методики оценки адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала, отличающиеся способом подготовки образцов для испытаний с учетом структуры композита;

- математические модели влияния основных технологических факторов на свойства композиционного материала и процесс его склеивания.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями и корректными допущениями при разработке математических моделей; применением современного поверенного метрологического обеспечения; современными средствами научного изыскания, включая макроскопию; методами и средствами многофакторных экспериментальных исследований и статистической обработки экспериментальных данных; подтверждением адекватности разработанных моделей результатам испытаний; внедрением разработок в производство.

Поставленные задачи решались с применением современных систем автоматического проектирования, графических и вычислительных комплексов программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях по принятым методикам и планам экспериментов и характеризуется сходимостью с выводами эмпирических исследований.

Теоретическая и практическая значимость. Методики оценки адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала позволяют прогнозировать прочностные показатели и анализировать характер разрушений. Разработанные адекватные математические модели, описывающие влияние технологических факторов на физико-механические свойства композиционного материала, являются основой для обоснования его структуры и технологии склеивания.

Практическая значимость заключается в обосновании структуры нового композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции, превосходящего по физико-механическим характеристикам классические древесностружечные плиты, сравнимого с фанерой общего назначения. Производство такого материала позволяет эффективно перерабатывать образующиеся древесные отходы, снизить производственные затраты, повысить конкурентные качества и расширить ассортимент выпускаемой продукции. Разработана технология, обеспечивающая рост объема выпускаемой продукции, снижение расхода древесного сырья и возвратное использование отходов. Рекомендованные рациональные режимы

позволяют производить композиционный древесный материал с высокими физико-механическими свойствами.

Основные результаты экспериментальных исследований композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции, полученные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология композиционных материалов».

Методы исследования. Исследования базировались на принципах системного подхода с использованием обоснованных методов и методик научного поиска; поверенном оборудовании, приборах и средствах контроля. Информационную базу исследования составляют материалы научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, электронные ресурсы.

Научные положения, выносимые на защиту. Основные научные положения, выносимые на защиту, можно классифицировать как научно обоснованные технологические и технические решения, направленные на создание композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции с улучшенными физико-механическими характеристиками:

1. Введение центрального листа шпона в структуру композиционного материала позволяет снизить вероятность его разрушения от действия касательных напряжений;

2. Введение в технологический процесс производства композиционного материала послойного холодного подпрессовывания внутренних слоев из древесно-клеевой композиции позволяет повысить его эксплуатационные характеристики за счет устранения разнотолщинности внутренних слоев и отклонения центрального листа шпона от центральной плоскости.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждены и одобрены на заседаниях, конференциях, выставках различного уровня: всероссийской выставке-конференции научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009 (г. Москва, 2009 г.); XVI Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед», Москва, 2013 г; XI областной научной конференции «Шаг в будущее» (г. Кострома, 2009, 2011 гг.); 61-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ — производству», г. Кострома, 2009 г; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона», г. Кострома, 2010 г; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса», г. Кострома, 2012,2013 гг.

Основные научные и технические результаты приняты к использованию в ОАО «Фанплит» (г. Кострома), ООО «Костромалеспроект».

Публикации. По теме работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, заявка на патент

№ 2014105644 РФ, МПК7 В 27 D 1/00 «Линия изготовления древесного композиционного материала».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложений, библиографического списка из 150 наименований, содержит 169 страниц текста, 35 рисунков, 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта научная новизна работы, её практическая и научная значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» проведен анализ перспектив развития фанерной промышленности, результатов исследований по формированию древесно-слоистых материалов, рациональному использованию древесных отходов в производстве, выбору связующего. Анализ литературных источников показал, что одним из перспективных направлений снижения расхода сырья и материалов при прогнозируемом увеличении объемов производства является рациональное использование древесных отходов фанерного производства при изготовлении композиционных материалов.

На основании проведенного анализа научных трудов в области создания древесных композиционных материалов сделан вывод, что на сегодняшний момент в отечественной науке отсутствует теоретическое обоснование рациональной структуры композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции, данные о комплексной оценке физико-механических свойств и параметры рациональных режимов производства.

В этой связи развитие теории производства композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции с обоснованием рациональной структуры, экспериментальной оценкой физико-механических свойств, определением рациональных режимов является актуальным научным вопросом, определившим выбор цели и задач исследования.

Во втором разделе «Методические положения» приведены характеристики применяемых материалов, оборудование и приборы, используемые в работе, расчетные уравнения и формулы, изложены методики приготовления сырья и материалов, изготовления экспериментальных образцов и определения их физико-механических характеристик.

При изготовлении образцов композиционного материала использовался березовый лущеный шпон толщиной 1,15 и 1,5 мм, березовые древесные частицы фракции 10/2, клеи на основе карбамидоформальдегидных олигомеров КФН-66 для нанесения на поверхности шпона и КФН-54 для осмоления древесных частиц.

Для определения адгезионной прочности и величины межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала применялись методика оценки адгезионной прочности при отрыве листов шпона на основе ГОСТ 27325 и методика оценки взаимодействия на границе раздела фаз на основе метода определения прочности при скалывании по ГОСТ 9624,

отличающиеся от известных способом подготовки образцов для испытаний, что позволило численно оценить прочность взаимодействия компонентов материала на границах раздела фаз в зависимости от структуры.

Физико-механические показатели композиционного материала определялись по ГОСТ 9621, ГОСТ 9625, ГОСТ 10636, ГОСТ 10637, оценку огнезащищенности определяли методом «огневой трубы», содержание формальдегида в образцах определяли перфораторным методом по ГОСТ 27678. Поиск рациональных технологических режимов производства осуществлялся на основе реализации многофакторного плана второго порядка.

В третьем разделе «Экспериментальная оценка свойств композиционного материала» на основе положений теории сопротивления материалов при изгибе определены рациональные структуры материала. Проведены исследования, направленные на изучение свойств материала, изготовленного по различным структурам. Комплексно оценено влияние технологических факторов на свойства композиционного материала, рекомендованы рациональные режимы его производства.

При формировании пакета листы шпона необходимо использовать как армирующие слои и располагать на поверхности композиционного материала для предотвращения разрушения от нормальных напряжений, поскольку шпон обладает большей прочностью при изгибе по сравнению со слоями из древесно-клеевой композиции. Целесообразно также располагать листы шпона для упрочнения материала в центральной части симметричного сечения, где при изгибе достигают максимального значения касательные напряжения.

Рациональные структуры композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции представлены на рисунке 1.

Структура №1

-...... 2

__3

Структура №2

Структура №3

Структура №4

Рисунок 1. Схемы сборки композиционного материала: 1 - листы шпона в продольном направлении; 2 - древесно-клеевая композиция; 3 - листы шпона в поперечном направлении

По результатам макроскопических исследований внутренней структуры изготовленных образцов композиционного материала (Рисунок 2) определено:

- древесные частицы в структуре материала упакованы плотно, величина упаковки не имеет предельного значения, так как отсутствует видимая механическая деформация частиц и разрушения с появлением трещин;

- внутреннее строение слоев из древесно-клеевой композиции имеет равномерное заполнение, при соприкосновении частиц разного размера отсутствуют пустоты значительной величины;

- центральные листы шпона не имеют короблений и искривлений значительной величины, что говорит о равномерном дозировании осмоленных древесных частиц во внутренних слоях при формировании материала.

Структура материала №1 Структура материала №2

Рисунок 2. Срез материала. Увеличение в 25 раз

Прочность при изгибе является важной эксплуатационной характеристикой композиционных материалов. Для оценки влияния структуры материала на прочностные показатели при изгибе были проведены эксперименты, в результате которых было установлено, что разрушение образцов происходит как от нормальных (с), так и от касательных напряжений (т). Последние возникают в результате межслойного сдвига.

На рисунке 3 представлен тип разрушения композиционного материала.

Рисунок 3. Типы разрушения образцов при статическом изгибе: а) разрушение наружных слоев от нормальных напряжений (о); б) смешанный тип разрушения; в) разрушение материала от касательных напряжений (т) на границе двух слоев

Анализ разрушения образцов композиционного материала при изгибе показал следующее: 11% образцов были разрушены от касательных напряжений по границе центрального листа шпона и слоев из древесных частиц, 21% образцов разрушился в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений (смешанный тип), основная часть образцов разрушились от действия нормальных напряжений, превысивших допустимые значения. Разрушение в этом случае, как правило, происходит по листу шпона с поперечным направлением волокон по отношению к лицевому листу, что объясняется низкой прочностью древесины при растяжении поперек волокон.

Максимальной прочностью при изгибе обладает схема № 2 по причине использования взаимоперпендикулярных листов шпона в наружной части сечения в качестве армирования от действия нормальных напряжений и центрального листа шпона, позволяющего увеличить прочность при изгибе под действием касательных напряжений. Схема №1 упрочнена от нормальных напряжений растяжения и сжатия, но при этом возможно разрушение от касательных напряжений сдвига. Минимальной прочностью обладают образцы, изготовленные по структурам №3 и №4, не защищенные разрушения.

Разрушение наружных слоев материала от нормальных напряжений происходит из-за различия в деформации слоев шпона с продольным и поперечным направлением волокон и слоев из древесно-клеевой композиции. Это объясняется низким модулем сдвига древесины при растяжении поперек волокон и низкой прочностью древесно-клеевой композиции при изгибе. Превышение предельных значений касательных напряжений в центральной зоне материала, где расположен лист шпона, либо слой из древесно-клеевой композиции и одновременное превышение нормальных напряжений в наружных слоях приводит к разрушению смешанного типа.

Сохранению прочностных показателей композиционного материала способствует совершенствование технологии его формирования, повышение равномерности насыпки и уплотнения внутренних слоев.

В ходе экспериментальных исследований установлено, что на физико-механические свойства композиционного материала значимое влияние оказывает способ формирования внутренних слоев. При отсутствии операции холодной подпрессовки древесно-клеевой композиции наблюдается разнотолщинность внутренних слоев, значительное коробление и отклонение центрального листа шпона в структуре материала от нейтральной линии вследствие неравномерного уплотнения древесных частиц (Рисунок 4а).

Введение в технологический процесс промежуточной послойной холодной подпрессовки позволяет устранить разнотолщинность внутренних слоев материала и отклонение центрального листа шпона от центральной плоскости (Рисунок 46), что способствует повышению физико-механических свойств.

г •

а)

б)

Рисунок 4. Характер влияния холодной послойной подпрессовки: а) без послойной подпрессовки; б) с послойной подпрессовкой

В работе оценено межфазное взаимодействие и адгезионная прочность композиционного материала в зависимости от его структуры. Известная стандартная методика определения прочности при растяжении перпендикулярно пласти (ГОСТ 10636-90) позволяет определить прочность и характер взаимодействия компонентов только в «слабой» центральной зоне материала и не позволяет определить прочность взаимосвязи шпона и древесно-клеевой композиции в иных зонах. С целью оценки эксплуатационных характеристик композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции с учетом его структуры предложена методика определения адгезионной прочности при отрыве листов шпона и методика определения межфазного взаимодействия компонентов при скалывании на основе ГОСТ 27325-87 «Метод определения адгезии лакокрасочных покрытий» и ГОСТ 9624-2009 «Метод определения предела прочности при скалывании». Отличие предложенных методик от стандартных заключается в способе подготовки материала к испытаниям, а их применение позволяет определять характер взаимодействия компонентов, тип разрушения и прочностные характеристики в зависимости от структуры материала.

В качестве примера на рисунке 5 представлены схемы подготовки образцов для определения адгезионной прочности на границах взаимодействия компонентов для схемы сборки №2.

Рисунок 5. Форма образцов для определения адгезионной прочности на границе раздела фаз (шпона и древесно-клеевой композиции): 1 — слой эпоксидного клея; 2 — березовый цилиндр; 3 — наружные листы шпона; 4 - центральный лист шпона.

Результаты оценки адгезионной прочности при отрыве листов шпона от внутренних слоев из древесно-клеевой композиции представлены в таблице 1. Таблица 1

Адгезионная прочность при отрыве листов шпона от внутренних слоев из древесно-клеевой композиции

№ схемы сборки Адгезионная прочность при отрыве листов шпона от внутренних слоев из древесно-клеевой композиции, МПа Тип разрушения образца при испытании

наружных листов шпона центрального листа шпона

Среднее значение Среднее квадратическое отклонение Коэффициент вариации, % Среднее значение Среднее квадратическое отклонение Коэффициент вариации, % наружных листов шпона центрального листа шпона

1 1,59 0,032 1,87 - - - когезионный по древесно-клеевой композиции -

2 1,63 0,051 3,35 1,25 0,033 2,40 смешанный (шпон/древесные частицы) смешанный тип (шпон/древесные частицы)

3 1,67 0,050 3,23 1,23 0,015 0,81 когезионный по древесно-клеевой композиции смешанный тип (шпон/древесные частицы)

4 1,65 0,112 6,82 - - - смешанный тип (шпон/древесные частицы) -

При отрыве листов шпона наблюдается когезионный по древесно-клеевой композиции или смешанный характер разрушения, что свидетельствует о высокой адгезионной прочности соединения. Максимальная прочность при отрыве наблюдается у образцов со структурой №2, №3 с наличием центрального листа шпона. При отрыве наружных листов шпона для всех структур преобладал смешанный тип разрушения по внутреннему слою из древесно-клеевой композиции. При отрыве центрального листа шпона для схем №2 и №3 преобладал смешанный тип разрушения с разрывом по слою из древесно-клеевой композиции и частичному вырыву волокон древесины из поверхности шпона. Высокая прочность материала при отрыве наружных листов шпона может быть результатом высокой адгезионной прочности связующего и сцеплением между древесными частицами.

Характер межфазного взаимодействия связующего со слоями из древесных частиц и шпона на границе их взаимодействия в зависимости от структуры материала определялся также путем послойного скалывания по границам контакта листов шпона и внутренних слоев из древесно-клеевой

композиции. Для испытаний были изготовлены образцы, форма скалываемой части которых представлена на рисунке 6.

Струкгура№ 1а (верхние листы шпона) / ^

Структура №16 (нижние листы шпона) /

Структура №2

Структура №3 Структура №4

Рисунок 6. Форма образцов для проведения испытаний по скалыванию по

граничным слоям

Основные результаты эксперимента представлены в таблице 2. Таблица 2

Прочность композиционного материала при скалывании

Прочность при скалывании по клеевому слою, МПа

>> £ и X к о В" ей О о И « и о Я о у X д а* о Ё м § § 1 Основной тип разрушения образцов при испытании

а и а ч и о. и <5 Ь о о. 2 с? о СО X tft о а

1а 3,05 0,331 10,86 Смешанный по древесно-клеевой композиции

16 3,1 0,192 6,20 Смешанный по клеевому шву между слоями шпона с вырывом волокон древесины из поверхности шпона

2 4,21 0,162 3,86 Смешанный по древесно-клеевой композиции

3 4,12 0,172 4,18 Смешанный по древесно-клеевой композиции

4 3,15 0,158 5,02 Смешанный по древесно-клеевой композиции

При скапывании наружных листов шпона по структуре № 16 в 27% случаев наблюдался смешанный тип разрушения по границе раздела связующего и листов шпона с вырывом волокон из его поверхности. В остальных случаях имел место смешанный тип разрушения во внутреннем слое по границе раздела связующего и древесных частиц, что свидетельствует о высокой степени межфазного взаимодействия. Высокая адгезионная прочность на границе раздела фаз (слоев шпона и древесно-клеевой композиции) объясняется наличием клеевой прослойки с повышенным содержанием клея -контактирует осмоленный лист шпона и осмоленные древесные частицы.

Отсутствие адгезионного типа разрушения по граничному слою свидетельствует о высоких адгезионных свойствах выбранного связующего.

Обобщенные сравнительные физико-механические характеристики композиционного материала, изготовленного по рациональным структурам, приведены в таблице 3. Сравнительный анализ физико-механических характеристик композиционных материалов представлен в таблице 4. Таблица 3

Сравнительные свойства композиционного материала

Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти, МПа Разбухание по толщине, % Водопоглощение, %

№ Структура сборки U S S 4J V U О а и OJ г а § s X =i X а. о S X U г V о а о V 5 8 Н s X 1 «в S о. и S X « т I о о а? я s s я X а ев V X X 41 £ 8 * О я и Р ж OJ X а. ев

X и 4> X 1 о « о S 5 8 6 X 5 н X а> X X п о 1> ä о. о g. ы « О S 5 8 5 1 Е а «6« •в" X и 1> X ч и о. и Си и «J о а р 8 5 S 5 Ё V § X •е--е- о X m и U 1 и а. о s i s ё 5 и Ё ш

и и X. и к о а

1 1-1-1 73,2 2,61 3,57 0,35 1,58 7,32 14,5 0,88 6,31 51,7 1,42 2,83

2 I-1II-I 85,7 3,20 2,93 0,38 2,73 4,25 11,5 1,1 9,73 45,5 1,32 2,95

3 11-11 60,2 2,15 6,55 0,41 3,31 3,42 16,3 1,79 11,72 53,5 0,81 1,52

4 III 56,0 2,00 8,59 0,40 1,85 2,76 18,7 1,43 3,97 65,7 1,01 1,53

Таблица 4

Сравнительный анализ физико-механических характеристик композиционных материалов

Значения для материалов

| Наименование показателя 1 Композиционный материал (средние значения) Фанера марки ФК (по ГОСТ 3916.1-96) ДСтП марки П-А (по ГОСТ 10632-2007) OSB-2 (по DIN EN)

Плотность, кг/м1 700,0 680..740 550..820 570..650 (по EN 323)

|Предел прочности при изгибе, МПа 68,8 55 14 30 (по EN 310)

Разбухание по толщине после 24 !часов вымачивания в воде, % 16,25 10...20 22 20 (по EN 317)

Объемное разбухание после 24 часов вымачивания, % 15,2 15...25 - -

Водопоглощение после 24 часов вымачивания, % 54,0 - 30... 90 -

Предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти, МПа 0,41 - 0,4 0,35 (по EN 312)

Композиционный материал обладает высокой прочностью при изгибе, поскольку его наружные слои выполнены из прочных листов шпона, воспринимающих основные напряжения, а древесно-клеевая композиция с

более низкой прочностью расположена в слабо нагруженных зонах. В целом, композиционный материал на основе шпона и древесно-клеевой композиции обладает высокими физико-механическими показателями, превосходящими нормированные значения для классических ДСтП и плит ОЭВ, сопоставимыми со свойствами фанеры общего назначения.

Прочность при отрыве перпендикулярно пласти превышает нормативный показатель для ОБВ на 12,5% и сопоставимо с ДСтП. Прочность при изгибе превышает нормативный показатель для фанеры ФК на 63%, для ДСтП на 70%, для 08В-2 на 56%. Высокие механические характеристики объясняются использованием особой структуры материала и применением рациональных режимов склеивания. Разбухание по толщине сопоставимо с нормативными показателями для фанеры ФК и ДСтП, превышает показатели для 05В-2 на 23%. Низкое разбухание материала объясняется наличием водоотталкивающей добавки (парафиновой эмульсии) во внутренних слоях из древесно-клеевой композиции.

Априорные данные и анализ результатов отсеивающих экспериментов показал, что на физико-механические показатели композиционного материала наибольшее влияние оказывают следующие факторы: плотность внутреннего слоя, расход связующего во внутреннем слое, количество парафиновой эмульсии во внутреннем слое, применяемой для повышения гидрофобных свойств. Данные факторы приняты в качестве переменных (Таблица 5) при планировании и реализации В-плана второго порядка. В качестве выходных величин приняты физико-механические показатели, характеризующие эксплуатационные характеристики композиционного материала: предел прочности при изгибе, предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти, разбухание по толщине, водопоглощение, объёмное разбухание, прочность при выдергивании шурупов из кромки и из пласти.

Таблица 5

Переменные факторы и уровни их варьирования

Обозначение Уровень варьирования

Наименование факторов Натуральное Нормализованное Интервал варьирования Нижний (-1) Основной (0) Верхний (+1)

1. Плотность внутреннего слоя, кг/ м' Р X, 100 600 700 800

2. Расход связующего во внутреннем слое, % Р» Х2 4 8 12 16

3. Количество парафиновой эмульсии во внутреннем слое, % к„ X, 0,5 0 0,5 1

Математическая обработка результатов эксперимента позволила получить адекватные уравнения регрессии в нормализованном обозначении факторов:

а) предел прочности при изгибе:

У, = 46,883+3,8 Х,+7,3 Х2-1,5 Х3+1,132 X,2 -1,368 Х32- Х,Х2;

б) предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти: У, = 0,273 + 0,022 Х,+0,046 Х2;

в) разбухание по толщине:

У3 = 11,47 -1,26 Х2-2,3 Х3 +1,83 Х32;

г) водопоглощение:

У4= 41,22+2,26 Х,-4Д5 Х2-8,51 Х3+1,19 Х,2+3,44 Х22+5,41 Х32+2,42 Х2Х3;

д) объёмное разбухание:

У5 = 12,19 + 0,58 Хг1,32 Х2-2,46 Х3 -1,01 Х22-1,91 Х32;

е) предел прочности при выдёргивании шурупов из кромки: У6 = 54,634 + 2,9 Х,+1,9 Х2+0,5 Х3;

ж) предел прочности при выдёргивании шурупов из пласти: У, = 92,702 + 5,5 Х,+2,7 Х2-1,4 Х3.

Уравнения регрессии в натуральных обозначениях факторов имеют вид:

а) предел прочности при изгибе:

У, = -193,89+1,ШЧО^р2- 0,09 р - 5,544Рпар2- (РРсв/400)+2,544Рпар+3,575Р„;

б) предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти: У2 = 2,438+0,00022 р+0,0115;

в) разбухание по толщине:

Уз = 19,38 - 0,315 Рсв+7,32 Рпар2- 71,92 Рпар;

г) водопоглощение:

У4= 97,129+0,0226 р-1,19*10""* р2- 12,2475Рсв+0,215Рсв2+21,41Рпар2-

- 183,63Рпар+12,1Рсв*Рпар;

д) объёмное разбухание:

У5 = 24,712+0,063Рсв2-7,64Рпар2-1,182Рсв+0,5 8 * 10"2 р-2,72Рпар,

е) предел прочности при выдёргивании шурупов из кромки: У6 = 28,134 + 0,029 р+0,475Рсв+Рпар;

ж) предел прочности при выдёргивании шурупов из пласти: У7 = 47,502+0,055 р+0,675Рсв- 2,8Рпар.

Некоторые графические зависимости основных физико-механических характеристик композиционного материала от переменных факторов при постоянном значении количества связующего 12%, представлены на рисунке 7.

На основе полученных математических моделей рекомендованы следующие рациональные технологические условия производства композиционного материала:

- плотность внутреннего слоя - 670..680 кг/м3;

- расход связующего — 10.. 11% от массы древесных частиц;

- количество парафиновой добавки - 0,47..0,51% от массы древесных частиц; -температура прессования - 150°С;

- давление прессования - 2,0 МПа;

- время выдержки под давлением — 0,5 мин на 1 мм толщины материала;

- время плавного снижения давления - 1,0 мин.

Плотность

внутреннего

слоя, кг-м-

-1

ПЛОТНОСТЬ 0 внутреннего слоя, кгм5

Рисунок 7. Некоторые графические зависимости влияния переменных факторов на физико-механические характеристики композиционного материала Анализ полученных математических моделей и графических зависимостей показал следующее. На прочностные показатели композиционного материала наибольшее влияние оказывает плотность заполнения внутренних слоев и расход связующего в готовом материале. Увеличение этих факторов провоцирует интенсивный рост прочности. С увеличением плотности происходит более плотная упаковка древесных частиц между собой с минимальным количеством свободных пространств (пустот), ослабляющих структуру готового материала. Увеличение расхода связующего способствует формированию большого числа непрерывных клеевых связей и распределению связующего по поверхности древесных частиц, что приводит к росту прочностных показателей.

Добавление парафиновой эмульсии в количестве 0,5% от массы внутреннего слоя повышает водостойкость до уровня водостойкости фанеры общего назначения на основе фенолформальдегидных связующих.

На физические показатели композиционного материала значимое влияние оказывает количество парафиновой добавки и расход связующего во

Количество парафиновой эмульсин, %

Количество парафиновой эмульсин,

Плотность О внутреннего слоя, кг/м3

Количество парафиновой эмульсин, %

Количество парафиновой эмульсии. %

Плотность

внутреннего

внутренних слоях, при увеличении этих факторов происходит существенное снижение водопоглощения и разбухания материала по толщине. Значимое влияние оказывает фактор плотности внутреннего слоя. При его увеличении происходит увеличение физических показателей, поскольку повышается релаксационная способность уплотненных древесных частиц.

В четвертом разделе «Технико-экономическое обоснование производства композиционного материала» разработаны технология производства композиционного материала по одностадийной схеме, планировка участка формирования и прессования материала, определена экономическая эффективность организации производства.

Для производства композиционного материала по структуре №2 была разработана технологическая линия, позволяющая получать материал с высокими эксплуатационными характеристиками за счет введения в технологический процесс послойного холодного прессования внутренних слоев из древесно-клеевой композиции (Рисунок 8).

1 - площадка для приготовления и вспенивания клеевого состава;

2 - станок для нанесения связующего (клеенаносящие вальцы);

3 - подъемный стол для листов шпона;

4 - пульсирующий стол;

5 - наборный стол для укладки нижних листов шпона;

6 - конвейер;

7 - смеситель;

8 - формирующая машина;

9 - пресс проходного типа для холодной послойной подпрессовки;

10 -наборный стол для укладки центрального листа шпона;

11 - конвейер;

12 - формирующая машина;

13 - пресс проходного типа для холодной послойной подпрессовки;

14 — наборный стол для укладки верхних листов шпона;

15 - загрузочная этажерка;

16 - многопролетный пресс горячего прессования;

17 - лифт для приема спрессованных пакетов;

18 - подстопное место для листов шпона.

Рисунок 8. Линия изготовления композиционного материала

Введение прессов для послойной холодной подпрессовки внутренних слоев из древесно-клеевой композиции позволяет повысить равномерность распределения древесных частиц, снизить разнотолщинность, коробление и отклонение центрального листа шпона от центральной плоскости, а так же снизить потери плотности внутренних слоев при их транспортировке по конвейерам линии из-за рассыпания от вибрации. Использование двух независимых формирующих машин позволяет осуществлять работу линии в едином технологическом потоке без возвратных операций.

Анализ основных технико-экономических показателей позволяет сделать вывод, что организация производства композиционного материала дает возможность уменьшить норму расхода фанерного кряжа, увеличить прибыль от реализации продукции на 14 % ввиду снижения себестоимости на 7 %, увеличить рентабельности производства 1 м3 продукции на 8,1 %, увеличить чистую выручку на 19,7%. Инвестиционные вложения на организацию производства окупаются за счет увеличения чистой выручки.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что выпуск композиционного материала с наружными слоями из шпона, внутренними слоями на основе измельченных древесных отходов фанерного производства позволяет эффективно утилизировать образующиеся отходы, рационально использовать древесное сырье, снизить расход шпона и себестоимость готовой продукции.

2. Обоснована рациональная структура композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции, отличающаяся от известных наличием листа шпона в центральном слое. Применение данной структуры позволяет изготавливать материал с высокими физико-механическими показателями. Прочность при отрыве перпендикулярно пласти превышает нормативный показатель для ОБВ на 12,5% и сопоставима с ДСтП. Прочность при изгибе превышает нормативный показатель для фанеры ФК на 63%, для ДСтП на 70%, для ОБВ-2 на 56%. Высокие механические характеристики объясняются использованием особой структуры материала и рациональных режимов склеивания. Разбухание по толщине сопоставимо с нормативными показателями для фанеры ФК и ДСтП, превышает показатели для 08В-2 на 23%. Низкое разбухание материала объясняется наличием водоотталкивающей добавки (парафиновой эмульсии) во внутренних слоях из древесно-клеевой композиции.

3. Предложены методики оценки адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала, отличающиеся способом подготовки образцов для испытаний. По результатам испытаний выявлено, что образцы со структурой №2 и №3, содержащей центральный лист шпона, обладают максимальной адгезионной прочностью при отрыве и высоким межфазным взаимодействием. В отличие от известных применение предложенных методик позволяет численно оценить характер взаимодействия компонентов материала на границах раздела фаз и прочностные характеристики в зависимости от его структуры.

4. Получены адекватные математические модели, позволяющие оценить влияние основных технологических факторов на свойства композиционного материала, а так же прогнозировать его свойства при различных сочетаниях рассмотренных факторов. Обоснованы рациональные технологические режимы производства, позволяющие изготавливать композиционный материал с высокими физико-механическими характеристиками.

5. Разработана технология формирования композиционного материала в единой линии. Особенностью технологии является использование операции холодного послойного подпрессовывания внутренних слоев из древесно-клеевой композиции, позволяющей повысить равномерность распределения древесных частиц, а также увеличить прочность материала.

6. Доказана экономическая эффективность производства древесного композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции. При выпуске композиционного материала удается сократить расход древесного сырья на 12%, увеличить рентабельность производства 1 м3 продукции на 8%, снизить себестоимость материала на 6,5%.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных списком ВАК Минобрнауки РФ

1. Угрюмов С.А. Оценка адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре фанеры с внутренними слоями из древесно-клеевой композиции / С.А. Угрюмов, A.C. Свешников // Вестник ПГТУ. Серия «Лес. Экология. Природопользование»: научный журнал, 2014. -№ 1 (21). -с. 53-61.

2. Угрюмов С.А. Технология производства композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, A.C. Свешников И Вестник МГУЛ - Лесной вестник: научно-информационный журнал. - М.: МГУЛ, 2012, №2. - с. 148-153.

3. Угрюмов С.А. Технико-экономическое обоснование производства композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, A.C. Свешников // Вестник ПГТУ. Серия «Экономика и управление»: научный журнал. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012,№2.-с. 38-45.

4. Угрюмов С.А. Комплексное исследование свойств композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, A.C. Свешников // Вестник МГУЛ - Лесной вестник: научно-информационный журнал. - М.: МГУЛ, 2010, №6. - с. 163-165.

В прочих изданиях

5. Свешников A.C. Технологические особенности производства композиционной фанеры / A.C. Свешников, С.А. Угрюмов // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы Международной научно-технической конференции. - Кострома: КГТУ, 2012. - с. 126-128.

6. Свешников A.C. Композиционная фанера- перспективный конструкционный материал для мебельной промышленности и строительства/A.C. Свешников // Вестник КГТУ: рецензируемый периодический научный журнал. - Кострома: КГТУ,2011. - № 1(26). -с.42-44.

7. Свешников A.C. Технологические рекомендации по производству композиционной фанеры на основе отходов деревопереработки / A.C. Свешников, С.А.

Угрюмов // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. - СПб-СПбГЛТУ, 2011. - с. 200-205.

8. Свешников A.C. Экспериментальное исследование прочностных характеристик композиционной фанеры / A.C. Свешников, С.А. Угрюмов // Лес-2011: сборник научных трудов по итогам XII международной научно-технической интернет-конференции. - Брянск: БГИТА, 2011. -Выпуск 29. - с. 139-142.

9. Свешников A.C. Технология производства композиционной фанеры / A.C. Свешников, Д.А. Кожевников // Научному прогрессу - творчество молодых: материалы международной молодежной научной конференции по естественно-научным и техническим дисциплинам. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. - с. 117-119.

10. Угрюмов С.А. Общая технологическая последовательность производства композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, A.C. Свешников, Д.А. Кожевников // Актуальные проблемы лесного комплекса: материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2009. - с. 143-145.

11. Свешников A.C. Реализация экспериментального плана для оценки влияния технологических факторов на свойства композиционной фанеры / A.C. Свешников // Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона: материалы международной научно-технической конференции. - Кострома: КГТУ, 2010. - с. 215-216.

12. Свешников A.C. Композиционная фанера с различными схемами сборки / A.C. Свешников // Ступени роста - 2009: тезисы научно-практической конференции. - Кострома: КГУ им. H.A. Некрасова, 2009. - Ч. I. - с. 12-13.

13. Угрюмов С.А. Оценка свойств композиционной фанеры с различными схемами сборки / С.А. Угрюмов, A.C. Свешников // Студенты и молодые ученые КГТУ - производству: материалы 61-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов. - Кострома: КГТУ 2009.-Т 2.-с. 166-167.

Патенты

14. Заявка на патент № 2014105644 РФ, МПК7 В 27 D 1/00. Линия изготовления древесного композиционного материала / С.А. Угрюмов, A.C. Свешников; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет»; заявл. 14.02.2014.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.220.03

или прислать отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями

по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Санкт-

Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М.

Кирова, Ученый Совет.

Свешников Александр Сергеевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Подписано в печать 02.04.2014. Печ. л. 1,25. Заказ 121. Тираж 100. РИО КГТУ, Кострома, ул. Дзержинского, 17

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет»

04201459336 На правах рукописи

СВЕШНИКОВ Александр Сергеевич

ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ШПОНА И ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОЙ

КОМПОЗИЦИИ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, Угрюмов Сергей Алексеевич

Кострома - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11

1.1. Современное состояние и перспективы развития фанерного производства..................................................................................................................................................................................................11

1.2. Пути комплексного использования отходов фанерного производства......................................................................................................................................................14

1.3. Известные методы формирования древесно-слоистых композиционных материалов..............................................................................................................19

1.4. Выбор клея для производства композиционного материала..........................23

1.5. Выводы..............................................................................................................................................................25

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ......................................................................................27

2.1. Сырье и материалы............................................................................................................................27

2.2. Приборы и оборудование............................................................................................................28

2.3. Методика расчет необходимого количества связующего для склеивания композиционного материала....................................................................................29

2.4. Методика приготовления связующего..............................................................................30

2.5. Методика расчета необходимого количества древесных частиц для приготовления внутренних слоев композиционного материала..........................31

2.6. Определение плотности..................................................................................................................32

2.7. Определение водопоглощения, разбухания по толщине и объемного разбухания................................................................................................................................32

2.8. Определение предела прочности при статическом изгибе............................34

2.9. Определение предела прочности при отрыве перпендикулярно пласти................................................................................................................................................................................................................................34

2.10. Определение предела прочности при выдергивании шурупов..............35

2.11. Определение межфазного взаимодействия в зависимости от структуры композиционного материала....................................................................................35

2.12. Оценка адгезионной прочности в зависимости от структуры композиционного материала................................................................................................................38

2.13. Оценка огнезащищенности композиционного материала..........................41

2.14. Оценка экологических показателей композиционного материала... 42

2.15. Методика определения необходимого объёма экспериментальных выборок......................................................................................................................................................................42

2.16. Методика построения и обработка многофакторных

экспериментальных планов..............................................................................................................................................43

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СВОЙСТВ

КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА................................................................................48

3.1. Выбор и оценка структуры композиционного материала................................48

3.2. Напряженное состояние композиционного материала при изгибе.... 56

3.3. Влияние холодного промежуточного послойного прессования на свойства композиционного материала........................................................................................61

3.4. Оценка адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала......................................................................................64

3.5. Оценка физико-механических характеристик композиционного материала................................................................................................................................................................73

3.6 Оценка огнезащищенности композиционного материала..............................78

3.7 Оценка экологических показателей композиционного материала............79

3.8. Обработка многофакторного экспериментального плана............................79

3.8.1 .Выбор постоянных и переменных факторов............................................................79

3.8.2. Планирование эксперимента................................................................................................81

3.8.3. Оценка наличия грубых ошибок........................................................................................84

3.8.4. Проверка однородности дисперсий................................................................................85

3.8.5 Расчет коэффициентов уравнения регрессии..........................................................87

3.8.6. Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии........................89

3.8.7. Проверка адекватности математических моделей............................................90

3.8.8. Проверка эффективности математической модели..........................................92

3.8.9. Перевод уравнений регрессии из кодированных обозначений факторов в натуральные..........................................................................................................................94

3.8.10. Основные графические зависимости........................................................................95

3.8.11. Определение рациональных режимов производства....................................102

3.8.12 Анализ влияния технологических факторов по результатам

экспериментов................................................................................................................................................................103

3.9. Выводы..........................................................................................................................................................105

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА................................107

4.1. Технология производства композиционного материала..................................107

4.2. Экономическое обоснование производства композиционного материала................................................................................................................................................................115

4.2.1. Расчет товарной продукции....................................................................................................115

4.2.2. Расчет технико-экономических показателей производства......................117

4.3. Выводы........................................................................................................................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................122

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................139

Приложение 1. Акт передачи результатов научно-исследовательских и

проектных работ для внедрения в производственных условиях........................140

Приложение 2. Процесс производства композиционной фанеры на ОАО

«Фанплит» (технологическая инструкция)..................................................................................................141

Приложение 3. Проект реконструкции ОАО «Фанплит» на выпуск

композиционной фанеры........................................................................................................................160

Приложение 4. Акт передачи результатов научно-исследовательских и

проектных работ для внедрения в проектной практике..................................................167

Приложение 5. Акт о внедрении результатов в учебный процесс........................168

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в деревообработке наметилась тенденция к увеличению объемов выпускаемой клееной продукции. В связи с экономическим развитием фанерной промышленности приобрели значимость вопросы повышения эффективности производства, сокращения расходов сырья на производство единицы продукции, эффективной переработки образующихся отходов, снижения себестоимости продукции при сохранении ее качества.

Основная часть фанерных предприятий нашей страны вырабатывает продукцию на основе березового лущеного шпона, что связано с рядом положительных свойств березовой древесины. Однако березовое сырье является достаточно дефицитным и дорогим, его стоимость в структуре себестоимости фанеры составляет 40...45% [91; 121]. Снижение материалоемкости - основной путь повышения эффективности фанерного производства.

Организация производства композиционных материалов на основе измельченных древесных отходов с возможностью регулирования свойств готовой продукции в соответствии с ее назначением позволяет эффективно утилизировать образующиеся отходы, снизить расход лущеного шпона, снизить себестоимость. Варьируя сочетание вида и расходов наполнителей и связующих, можно изготавливать фанеру с целенаправленным комплексом свойств для использования в строительстве, мебельном производстве и иных сферах [16].

Актуальность работы.

Известно, что вовлечение в производство древесных композиционных материалов отходов деревопереработки способствует их эффективной утилизации и снижению себестоимости готовой продукции [124].

При производстве фанеры неизбежно образуются отходы - шпон-

рванина, кусковый шпон, карандаши, отходы от форматной обрезки фанеры и др. Целесообразно использовать измельченные древесные отходы фанерного производства для изготовления внутренних слоев древесного композиционного материала. Основу прочности такого материала составляет лущеный шпон, а композиция на основе древесных частиц, смешанных с синтетическим связующим, служит наполнителем.

Производство композиционного материала с наружными слоями из шпона, внутренними слоями на основе измельченных древесных отходов с возможностью регулирования свойств в соответствии с назначением позволит эффективно утилизировать образующиеся отходы, уменьшить расход шпона и себестоимость готовой продукции.

Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами госбюджетных научно-исследовательских работ в рамках единого заказ-наряда «Совершенствование теории регионально-экономической политики. Устойчивое развитие экономики Костромского региона. Исследование и разработка технологических режимов производства композиционной фанеры (№ ГР 0120.06000189), «Совершенствование эффективности функционирования производства плитных древесных композиционных материалов на основе глубокой переработки древесных отходов» (№ ГР 7.4819.2011), «Создание теории устойчивости развитием региональной экономической системы. Разработка научных основ повышения эксплуатационных характеристик композиционных материалов» (№ ГР 01201051803).

Цель работы - обоснование структуры и технологии композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции.

Объектом исследования является композиционный материал на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции.

Предметом исследования является структура и процесс изготовления композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции.

Научной новизной в диссертационной работе обладают:

- структура композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции, отличающаяся от известных наличием листа шпона в центральном слое;

- методики оценки адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала, отличающиеся способом подготовки образцов для испытаний с учетом структуры материала;

- математические модели влияния основных технологических факторов на свойства композиционного материала и процесс его склеивания.

Научная гипотеза: использование рациональной структуры композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции позволяет частично заменить лущеный шпон с сохранением физико-механических характеристик.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями и корректными допущениями при разработке математических моделей; применением современного поверенного метрологического обеспечения; современными средствами научного изыскания, включая микроскопию; методами и средствами многофакторных экспериментальных исследований и статистической обработки экспериментальных данных; подтверждением адекватности разработанных моделей результатам испытаний; внедрением разработок в производство. Поставленные задачи решались с применением современных систем автоматического проектирования, графических и вычислительных комплексов программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях по принятым методикам и планам экспериментов и характеризуется сходимостью с выводами эмпирических исследований.

Соответствие темы и содержания диссертации требованиям паспорта специальности ВАК. В рамках специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки»

положения диссертации соответствуют следующим областям исследований: 2. «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции»; 4. «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины».

Теоретическая и практическая значимость. Методики оценки адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала позволяют прогнозировать прочностные показатели и анализировать характер разрушений. Разработанные адекватные математические модели, описывающие влияние технологических факторов на физико-механические свойства композиционного материала, являются основой для обоснования его структуры и технологии склеивания.

Практическая значимость заключается в обосновании структуры нового композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции, превосходящего по физико-механическим характеристикам классические древесностружечные плиты, сравнимого с фанерой общего назначения. Производство такого материала позволяет эффективно перерабатывать образующиеся древесные отходы, снизить производственные затраты, повысить конкурентные качества и расширить ассортимент выпускаемой продукции. Разработана технология, обеспечивающая рост объема выпускаемой продукции, снижение расхода древесного сырья и возвратное использование отходов. Рекомендованные рациональные режимы позволяют производить композиционный древесный материал с высокими физико-механическими свойствами.

Основные результаты экспериментальных исследований композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции, полученные автором, используются в учебном процессе при

изучении дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология композиционных материалов».

Методы исследования. Исследования базировались на принципах системного подхода с использованием обоснованных методов и методик научного поиска; поверенном оборудовании, приборах и средствах контроля. Информационную базу исследования составляют материалы научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, электронные ресурсы.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором: Основные результаты можно классифицировать как научно обоснованные технические, технологические и организационные решения, направленные на разработку ресурсосберегающей технологии производства композиционного материала.

Указанные положения включают:

1. Введение центрального листа шпона в структуру композиционного материала позволяет снизить вероятность его разрушения от действия касательных напряжений;

2. Введение в технологический процесс производства композиционного материала послойного холодного подпрессовывания внутренних слоев из древесно-клеевой композиции позволяет повысить его эксплуатационные характеристики за счет устранения разнотолщинности внутренних слоев и отклонения центрального листа шпона от центральной плоскости.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждены и одобрены на заседаниях, конференциях, выставках различного уровня:

- XI областной научной конференции «Шаг в будущее» (г. Кострома, 2009 г.);

- Всероссийской выставке-конференции научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009 (г. Москва, 2009 г.);

- 61 -й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству», (г. Кострома, 2009 г.);

- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона», (г. Кострома, 2010 г.);

- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (г. Кострома, 2012,2013 гг.);

- XVI Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (г. Москва, 2013 г.).