автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Формирование трудногорючих столярных плит

Щербаков Виталий Маратович

ФОРМИРОВАНИЕ ТРУДНОГОРЮЧИХ СТОЛЯРНЫХ

плит

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Щербаков Виталий Маратович

ФОРМИРОВАНИЕ ТРУДНОГОРЮЧИХ СТОЛЯРНЫХ

плит

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2003•'«'.»«•л- 1 • •

> »1*1 1*д

-*« ае» »

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии деревообрабатывающих производств Санкт-Петербургской Государственной лесотехнической академии.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Чубинский А.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Сергеевичев В.В.

кандидат технических наук, доцент Шейнов А.И.

Ведущая организация:

Архангельский Государственный технический университет

Защита состоится 16 июня 2005 г. в И часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.03 в Санкт-Петербургской Государственной лесотехнической академии (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан 13 мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Анисимов Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Постоянное техническое развитие общества приводит к увеличению энергонасыщенности гражданских и промышленных зданий, вагонов и судов. Следствием этого является возрастающее с каждым годом число пожаров, вызывающих человеческие жертвы и причиняющих значительный материальный ущерб. Вот почему, с каждым годом происходит ужесточение требований к пожарной безопасности материалов.

Эти требования ограничивают применение древесины и древесных материалов в строительстве, вагоно- и судостроении. В тоже время древесина является легким и прочным материалом, что особенно актуально в производстве вагонов и судов. В этой связи, исследования по созданию трудногорючих древесных материалов являются актуальными как в России, так и зарубежом.

В настоящее время в вагоностроении и строительстве достаточно широкое распространение получила трудногорючая фанерная плита. Ей существенным недостатком является большая плотность (до 850...900 кг/м3). Кроме того, изготовление фанерных плит толщиной свыше 30 мм связано со значительным ростом продолжительности цикла склеивания и снижением производительности.

Таким образом, задача создания трудногорючего древесного материала, обладающего меньшей плотностью, чем трудногорючая фанера, является актуальной. Одним из путей ее решения является создание трудногорючей столярной плиты. Снижения массы плит предполагается достичь как путем уменьшения количества антипирена во внутреннем слое плиты, так как он несет меньшую огневую нагрузку, чем наружные слои, так и за счет использования для его изготовления древесины осины.

Известно, что при статическом изгибе максимальные напряжения приходятся на наружные слои плиты. Поэтому, для изготовления среднего слоя целесообразно использовать осиновые делянки, а для наружных слоев - березовый шпон. Это решение обусловлено тем, что плотность осины меньше, чем у березы, а пропитывается она лучше и качественней, чем еловая древесина.

Кроме того, проблема использования древесины мягких лиственных пород весьма актуальна. Среди лиственных лесов России осиновые леса (осинники) занимают второе место после березовых и составляют 16% древостоев. Невостребованность осинового сырья при выполнении сплошных рубок создает значительные трудности в работе лесозаготовительных организаций. Обширный ареал, успешное возобновление естественным путем, быстрый рост, меньший по сравнению со многими другими породами возраст рубки требуют изыскания путей ее рационального использо-

вания.

Дель работы. Создание трудногорючих конструкционных древесных материалов и технологии их изготовления.

Научной новизной обладают;

1. Степень содержания антипирена в делянках среднего слоя из древесины осины, позволяющая получить трудногорючую столярную плиту с низкой плотностью и требуемыми прочностными показателями.

2. Математические модели, описывающие плотность и прочность при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном, позволяющие обосновать параметры режима склеивания трудногорючих столярных плит.

3. Модели деформирования древесины и древесных материалов, пропитанных антипиреном на основе полифосфатов аммония, имеющие принципиальное отличие от моделей деформирования непропи-танной древесины в скорости изменения деформаций.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Пропитка древесины осины антипиреном на основе полифосфатов аммония повышает ее огнестойкость, изменяет упругие и другие физико-механические свойства.

2. Применение антипирена, представляющего собой минеральную соль, содержащую аммиак, существенно снижает влияние температуры и давления склеивания на деформацию древесины в процессе ее пьезотермической обработки.

3. Деформации обработанной антипиреном древесины при горячем склеивании имеют наследственный характер и могут быть описаны уравнениями теории наследственности Больцмана-Вольтерра.

Достоверность сформулированных в диссертации предположений и выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований, применением для анализа деформативности реологических моделей и теории наследственности Больцмана-Вольтерра, а также положительными результатами испытаний опытно-промышленной партии продукции, проведенных в условиях ЗАО "Архангельский фанерный завод" (г. Новодвинск, Архангельская область). Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, их адекватность подтверждается проверкой в соответствии с общепринятыми методиками.

Практическая значимость работы:

1. Обоснована конструкция пакета и определены физико-механические свойства трудногорючей столярной плиты, позволяющей повысить пожаростойкость строительных конструкций к транспортных средств.

2. Разработан режим склеивания трудногорючих столярных плит с использованием древесины осины.

Применение в промышленности и строительстве разработанного материала с использованием древесины осины позволит:

1. Увеличить сырьевую базу лесопромышленного производства и эффективность лесозаготовок за счет использования маловостребо-ванной древесины осины.

2. Повысить огнестойкость и снизить массу конструкционных материалов используемых в строительстве, вагоно- и судостроении.

3. Сократить расход антипирена и клея по сравнению с трудногорючей фанерной плитой.

I Место проведения: Работа выполнена в Санкт-Петербургской

Государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова на кафедре технологии деревообрабатывающих производств.

^ Апробация работы: Промышленная проверка разработанных

режимов получения трудногорючей столярной плиты из древесины осины и березы проведена на ЗАО "Архангельский фанерный завод" (г. Новодвинск, Архангельская область). Разработаны технические условия и осуществлен выпуск опытной партии.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, библиографического списка из 117 наименований, содержит 152 страницы основного текста, 18 рисунков, 47 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта научная новизна работы и ее значимость для науки и практики. Содержатся данные о месте проведения и апробации работы, структуре и объеме диссертации.

Первый раздел «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» посвящен анализу литературы по вопросам, связанным с разработкой трудногорючих столярных плит.

Удельные характеристики механических свойств (то есть показателей отнесенных на единицу плотности) осиновой древесины показывают возможность ее использования в изделиях, где требуется достаточно высокая прочность и жесткость при малой массе. По удельной прочности она не уступает березовой древесине.

При изготовлении трудногорючего материала из клееной древесины необходимо применять методы глубокой пропитки его компонентов до операции склеивания. Это позволяет получить нужную степень поглощения и не исключает возможности дальнейшей обработки готового материала, например, облагораживания поверхности.

Практика производства трудногорючей фанерной плиты показывает, что при содержании антипирена в шпоне порядка 20...25 % величина её остаточной деформации существенно меньше, чем у фанеры. В тоже время, прочность плит при статическом изгибе снижается на 20...25 %. Следует отметить, что исследования влияния степени пропитки древесины полифосфатами аммония на физико-механические и деформационные свойства самой древесины не проводились.

Знание деформации и характера деформирования пакета при склеивании и изменение его вязкоупругих характеристик позволит прогнозировать физико-механические свойства (плотность, прочное гь и т.д.) материала и определять параметры режима прессования.

По результатам аналитического обзора поставлены задачи исследования, решение которых позволит достичь цели работы.

1. Обосновать конструкцию пакета столярной плиты.

2. Исследовать влияние антипирена на полную и остаточную деформацию пакета и его разнотолщинность.

3. Определить упругие постоянные трудногорючей столярной плиты при склеивании.

4. Исследовать влияние антипирена на физико-механические свойства трудногорючей столярной плиты.

5. Обосновать рациональный режим склеивания трудногорючей столярной плиты.

6. Определить -эффективность применения трудногорючей столярной плиты.

Решение этих задач позволит не только получить трудногорючую столярную плиту, но и расширить сырьевую базу деревообрабатывающего производства и эффективность лесозаготовок.

Во втором разделе «Основные методические положения» приводятся характеристики используемых материалов, методов и средств измерения, применяемого оборудования и приборов, методики проведения экспериментов и обработки их результатов.

Конструкция пакета столярных плит должна соответствовать следующим требованиям:

- плиты должны являться трудногорючим материалом по ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения»;

- прочность плит при статическом изгибе вдоль и поперек волокон древесины среднего слоя должна быть не ниже требований ГОСТ 13715-78 «Плиты столярные. Технические условия» при статическом изгибе поперек делянок.

- различие в прочности плит при статическом изгибе вдоль и поперек волокон должно быть минимальным.

Прочность трудногорючих столярных плит при скалывании по клеевому слою после выдержки в воде в течение 1 часа при температуре 100 °С должна быть не меньше, чем у трудногорючей фанерной плиты (1,0 МПа).

Общая классификация факторов, влияющих на свойства клееных материалов, дополнена двумя группами, учитывающими особенности конструкции плит и пропитку древесины антипиреном:

1, Факторы, связанные со схемой формирования пакета:

- способ изготовления щита среднего слоя (из склеенных делянок, из не склеенных делянок и блочный);

- количество листов шпона в наружных слоях столярной плиты;

- направление волокон древесины в листах шпона относительно направления волокон в делянках;

2. Факторы, связанные с пропиткой используемых материалов:

- способ придания плите трудногорючих свойств (придание трудногорючих свойств делянкам и шпону до изготовления плиты, или уже готовой плите)

- степень пропитки делянок и шпона;

- метод пропитки делянок и шпона;

- метод и режим сушки делянок и шпона.

Исследования выполнялись в лабораторных и промышленных условиях. Для определения прочности при статическом изгибе, скалывании по клеевому слою, плотности, пожаробезопасных свойств использовались стандартные методики.

Полная деформация пакета столярных плит в процессе пьезотерми-ческой обработки определялась с помощью измерительного индикатора часового тина, прикрепленного к плитам лабораторного пресса.

Для исследования влияния антипирена на деформационные свойства плиты использовалась теория наследственности Больцмана-Вольтерра.

Одной из задач однофакторных экспериментов было определить уровни варьирования переменных факторов при проведении многофакторного эксперимента. Поэтому определялись изменения свойств столярной плиты в зависимости от содержания антипирена в делянках среднего слоя и давления склеивания. Нижний уровень варьирования давления был принят на основе режимов склеивания столярных плит и равен 1,2 МПа. Верхний уровень -1,9 МПа принят на основе режимов склеивания трудногорючей фанерной плиты.

Полученные опытные данные оценивали посредством обработки результатов экспериментов методами математической статистики.

В третьем разделе «Исследование конструкции и свойств трудногорючей столярной плиты» приведены результаты исследований по определению рациональной конструкции пакета и влияния содержания антипирена в делянках среднего слоя плиты на её свойства.

Для определения рациональной конструкции пакета трудногорючей столярной плиты были проведены эксперименты по определению группы горючести материала в зависимости от слойности пакета и прочности плиты при статическом изгибе вдоль и поперек делянок в зависимости от направления волокон в слоях шпона и среднем слое. Анализ результатов показывает, целесообразно использовать пятислойную плиту, у которой направление волокон древесины в наружных листах шпона перпендикулярно волокнам внутренних листов шпона и делянок. Данная схема сборки пакета позволяет получить трудногорючие плиты, имеющие требуемую прочность при статическом изгибе как вдоль, так и поперек делянок среднего слоя.

Опыт производства трудногорючей фанерной плиты показывает, что ее остаточная деформация при содержании антипирена 20...25% значительно меньше, чем у обычной фанеры. Но в тоже время в антипирене содержится аммиак, который, как известно, пластифицирует древесину. Поэтому можно предположить, что скорость и характер деформирования пропитанной древесины на различных этапах пъезотермообработки существенно отличается от деформирования непропитанной древесины.

Антипирен в делянках среднего слоя столярных плит даже при содержании около 4%, приводит к снижению как нолной, так и остаточной деформации в 1,5...2 раза по сравнению с плитами со средним слоем из непропитанных делянок (рис. 1).

-♦—Остаточная деформация

35,00

30,00

25,00

20,00

15,00

10,00

0,00

у = -2,00351_п(х) + 6,0145

плиты при давлении склеивания 1.9 МПа - Полная деформация при давлении склеивания 1,9 МПа

4 8 12

Содержание антипирена в делянках среднего слоя, %

16

Рис. 1. Зависимость полной и остаточной деформации столярной плиты от содержания

антипирена в делянках.

Характер деформаций пакета трудногорючей столярной плиты отличается о г натуральной древесины, но на этапе выдержки под

давлением может быть, с достаточной точностью, описан моделью Максвелла, закон деформирования которой записывается следующим образом:

£ = (1) П

где т] - коэффициент вязкости материала; а— давление прессования;

Ей - начальная деформация, равная полной деформации пакета I трудногорючей столярной плиты на этапе создания давления;

/ — время нагружения.

Экспериментально (рис. 2) была получена зависимость развития во времени деформации пакета трудногорючей столярной плиты при выбран' ном рациональном режиме склеивания, которое описывается линейным уравнением рирессии.

После сравнения значений полной деформации пакета столярной плиты, полученных по уравнению регрессии, и среды Максвелла было установлено, что расхождения в среднем не превышает 5,81%.

Деформация плит при рациональном режиме

Изменение деформации среды Максвелла

Уравнение регрессии

Время склеивания, с

Рис. 2. Изменение полной деформации трудногорючих столярных плит в процессе нье-

зотермической обработки.

Результаты анализа реологической модели позволили использовать для определения механических характеристик пакета трудногорючей столярной плиты теорию наследственности, разработанную Больцманом для упруговязких тел. Ползучесть пакета в момент времени I описывается интегральным уравнением Вольтерры 2-го рода, которое имеет вид:

т = + (2)

где cr(t) и e(t) - напряжение и деформация в момент времени t при одноосном напряженном состоянии; г - время, предшествующее моменту t\ Е - мгновенный модуль упругости; E(t) - модуль упругости в момент времени t; K(t) - функция скорости ползучести.

m-^t^ff, о,

t i Г(а • и)

где Да) - гамма-функция Эйлера;

а, р, А- параметры функции влияния.

В случае постоянного напряжения a(t) = const уравнение ползучести принимает вид:

s(0 = |-(I + J*(T)-A)- (4)

Используя методику, предложенную М.А. Колтуновым, были установлены параметры функции K(t) для пакета трудногорючей столярной плиты а, = 0,75, Д = 0,0003, Аэ = 0,0022. Для пакетов непропитанного шпона при изготовлении фанеры а = 0,025, Д= 0,05, А = 0,0235 (по данным A.II. Чубинского). Различие в параметрах функции влияния еще раз подтверждает, что антипирен изменяет скорость деформирования древесины в процессе пьезотермической обработки. Зная изменение деформации пакета во времени, давление склеивания и параметры функции влияния по формуле 4 можно определить изменения модуля упругости плиты в процессе пьезотермической обработки (рис. 3).

30,00 ------------

£ 25,00 2

• 20,00 1

Модуль

15,00 ' упругости

£ I , пакета

Й 10,00 . I трудногорючей

5,00

столярной

0,00

.L__—.__- I

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 850 700 750 800 Время склеивания, с

Рис. 3. Изменение модуля упругости пакета трудногорючей столярной плиты в процессе пьезотермообрабо1ки.

Из рис. 3 видно, что вначале выдержки пакета под давлением происходит небольшое нарастание модуля упругости. Затем он стабилизируется. Анализ кинетики нагрева пакета в процессе склеивания столярных плит по рациональному режиму (рис. 4) показывает, что стабилизация происходит в момент прогрева наружных слоев шпона и делянок до 100 "С. Стабилизацию модуля упругости можно объяснить совокупным действием антипи-рена и температуры. С одной стороны кристаллы антипирена оказывают сопротивление сжатию, что должно увеличивать модуль упругости. В тоже время, под действием горячих плит пресса, пакет столярной плиты прогревается. В результате воздействия температуры происходит снижение модуля упругости внутренних слоев древесины, в которых атипирена мало или он отсутствует. Их сопротивление сжатию уменьшается и увеличения модуля упругости не происходит.

Из полученных результатов видно, что температура склеивания оказывает влияние на деформацию древесины, но это влияние в значительной степени ослаблено антшшреном.

Данный вывод подтверждается сравнением кривых деформирования пакета столярной плиты при различной температуре склеивания и содержании антипирена в делянках среднего слоя (рис. 4). Увеличение температуры склеивания с 110 °С до 130 °С приводит к увеличению полной деформации на 1.. .2% в независимости от содержания антипирена в делянках. В тоже время характер изменения деформации практически не изменяется. У чистой древесины характер деформирования и величина деформации существенно изменяются при увеличении температуры склеивания. Это хорошо видно на примере фанеры из древесины лиственницы (рис. 4, по данным А.Н. Чубинского).

В результате исследования деформационных свойств пакета трудногорючей столярной плиты было установлено, что антипирен значительно изменяет характер деформирования пропитанной древесины и уменьшает влияние температуры склеивания на деформацию (рис. 1, 2, 4). В результате пластификации древесины и снижения модуля упругости на этапе создания давления склеивания происходит значительное деформирование древесины, а в процессе пьезотермообработки кристаллы антипирена начинают оказывать сопротивление сжатию, в результате чего снижается скорость деформирования. Это приводит к тому, что в процессе пьезотер-мической обработки при большой температуре не происходит значительного увеличения плотности за счет уплотнения древесины.

Стабилизация модуля упругости на 8-ой минуте выдержки под давлением позволяет предположить окончание процесса формирования материала и его свойств. Дальнейшая выдержка пакета под давлением обусловлена только отверждением клея.

Исследования показали, что разнотолщинность трудногорючих столярных плит ниже по сравнению с традиционными.

Вгнгчя склеивания, с

ПО 130

- Нагрев 1го слоя столярной плиты, режим склеивания 1.4 МПа, 110*fc содержание антипирена а%

- Нагрев 1го слоя столярной плиты, режим склешаИия 1,4 МПа, 110%. содержание антипирена 8К>

- Деформафш столярной ллиты, режим склеивания 1,4 МПа, 110JC содержание антипирена

а%

- Нагрев фанеры Э мм из лиственницы режим склеиания 1,8 МПа, 120°С

Деформация фанеры 9 мм из лиственницы режим склеивания 1,8 МГЬ,

- Деформация столярной ллиты, режми склеивания 1,4 МПа, 130 С содержание антипирена 8%

-Деформация столярной плиты, режим склеивания 1,4 МГЬ, 110^5, содержание антипирена 16%

-Деформация столярной плиты, режим склеивания 1,4 Mía, 1301, содержание актилмрема 16%

-Деформация фанеры 9 мм из лиственницы, режим склеивания 1,8 Mía, 100РС

Деформация, % Температура, 'С

Рис. 4. Зависимость кинетики нагрева и деформации трудногорючих столярных плит и фанеры толщиной 9 мм из лиственницы от продолжительности склеивания.

Плотность и прочность при статическом изгибе столярных плит зависит от содержания антипирена в делянках (рис. 5, 6). Плотность трудногорючих столярных плит на 20...30% ниже, чем плотность грудногорючей фанерной плиты.

660,00

-Плотность столярных плит при давлении 1,2 МПа

-Плотность столярных плитпри давлении 1,9 МПа

0 2 4 б 8 10 12 14 16 18 Содержание антипирена в делянках среднего слоя, % Рис. 5. Зависимость платности столярных плит от содержания антипирена в делянках. 45,00-

^ЗОд .____________—»—Прочность

столярных плит при давлении 1,2 МПа

- Прочность столярных плит при давлении

1,9 МПа

0 4 8 12

Содержание антипирена в делянках среднего слоя, %

Рис 6. Зависимость прочности столярных при статическом изгибе плит от содержания антипирена в делянках.

Влияние содержания антипирена на прочность столярных плит при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после кипячения в воде слабо выражено (рис. 7). Оно проявляется только при давлении склеивания 1,9 МПа. При использовании осины в качестве

материала для среднего слоя столярных плит антипирен оказывает положительное влияние на качество склеивания. Он не дает клею проникнуть глубоко в древесину делянок и нарушить целостность клеевого слоя.

В результате исследования кинетики нагрева пакета трудногорючей столярной плиты установлено, что нагрев наиболее удаленного от плит пресса клеевого слоя до 100 °С происходи г за 5 минут. Давление склеивания не оказывает значительного влияния на скорость нагрева (рис. 8).

3,00

2 50

2,00

S 1 50

1 00

0,50

0,00

-Прочность плит при давлении склеивания 1,2 МПа

- Прочность плит при давлении склеивания 1,9 МПа

0 4 8 12 16

Содержание антипирена в делянках среднего слоя, %

Рис. 7. Зависимость прочности столярных плит при скалывании по клеевому слою от содержания антипирена в делянках.

-Спой №1 при давлении 1,2 МПа

-Слой N»2 при давлении 1,2 МПа

- Слой №1 при давлении 1,9 МПа

—К—Слой №2 при давлении 1,9 МПа

123456789 10 Время выдержки под давлением, мин

Рис. 8. Кинетика нагрева клеевых слоев столярной шшгы.

Группа горючести столярных плит определяется количеством анти-пирена в делянках среднего слоя. Столярная плита относится к группе трудногорючих материалов при содержании антипирена в делянках среднего слоя не менее 8%.

В четвертом разделе «Обоснование режима склеивания трудногорючих столярных плит» проведены исследования по обоснованию рационального режима склеивания трудногорючей столярной плиты.

Для этого реализован план дробнофакторного эксперимента 25"1. Переменные факторы приведены в табл. 1.

Таблица 1

Переменные факторы.____

№ Ш1 ~1 Фактор Обозначение фактора Размерность Уровни факторов Интервал варьирования

Нижний Основной Верхний

Давление склеивания Р(х,) МПа 1.4 1,7 2,0 0,3

2 Температура пли I пресса 'Ш °С 110 120 130 10

3 Продолжительность выдержки под давлением т(х3) мин 8 10 12 2

4 Содержание антипирена в делянках среднего слоя П(х4) % 8 12 16 4

5 Расход клея ЯМ 1/м2 125 145 165 20

Выходными параметрами приняты плотность и прочность плит при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после выдержки в воде в течение 1 часа при температуре 100 'С.

В пределах варьирования переменных факторов, эти показатели достаточно точно описываются математическими моделями:

- прочность при скалывании по клеевому слою:

а) в кодированном виде

У = 2,4284 + 0,1803 ■ х, + 0,2404 • х2 + 0,4039 • х3 + 0,0982 • х4 + 0,2379 - х3 -

- 0,0275 -хгх2 - 0,089 -хгх3 + 0,0975 ■ х, • х4 - 0,0205 • х, ■ х, - 0,2803 х2 ■ х3 + + 0,0229• х2 -0,1582-х2-х5 -0,0589 х3 х5 +0,0335-х4 х5

б) в натуральном виде

У = -40,256 + 2,7049 ■ Р + 0,2876 - Г + 2,3495 • г - 0,243 • Я + 0,1223 Я --9,1667 10"3 ■/'•/-0,1482-Р-г + 8,125-10"2-Р-П-3,4167-Ю^3 Р Я--1,4015-Ю"2-¿^ + 5,725-Ю"4 -Л-7,91 -10"4 -г-Л-1,4725-10"3 т-Я + + 4,1875-10П-Я

- плотность:

а) в кодированном виде

У = 578,338 4 10,6991 ■ х, + 7,7179 • х2 +1,2833 • х3 +10,3458 ■ х4 + 7,5909 • х5 + + 3,4195 • х, • х2 +1,6391 • х, • х3 -1,206 - х1 ■ х4 -1,9521 • х2 ■ х3 -1,0368 • х2 х5 + +1,1296 • х3 • х4 +1,5765 • х3 • х5

б) в натуральном виде

Y = 457,8452 -116,3797 • Р + 0,5618 • / + 0,3001 • т + 2,883 ■ П + 0,6075 • R 4

+1,1398-P-t + 2,7323-Р-Т-1,005-Р-П-9,7603• 10"2 ■/• r - 5,184-10~3 •t-R +

+ 0,1412 • г • Я + 3,914 • Ю-2 • г • Я

Анализируя результаты проведенных экспериментов, можно заключить, что на прочность при скалывании по клеевому слою и плотность все переменные факторы оказывают непосредственное действие.

На прочность плит при скалывании главным образом влияют продолжительность выдержки под давлением и температура плит пресса. Прочность плит увеличивается при увеличении этих факторов.

Максимальное влияние на плотность оказывают давление склеивания и степень пропитки делянок среднего слоя. Коэффициенты регрессии этих факторов примерно одинаковы, что говорит об их равнозначном влиянии. С увеличением давления склеивания и степени пропитки делянок происходит рост плотности плиты.

Рациональный режим склеивания трудногорючих столярных плит должен обеспечить следующие требования: минимально возможная плотность материла; прочность плит на скалывание по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после выдержки в воде в течение 1 часа при температуре 100 °С должна быть не менее 1,0 МПа.

На основании данных ограничений и полученных уравнений с помощью программы Microsoft Excel выбран режим склеивания трудногорючих столярных плит толщиной 22 мм с использованием клея на основе

смолы марки СФЖ-3014:

Давление склеивания, МПа 1,4;

Температура плит пресса, 17 110;

Время выдержки под давлением, мин 12;

Содержание антипирена в делянках среднего слоя, % 8;

Расход клея, г/м2 125.

В результате исследования деформации трудногорючих столярных плит было установлено, что на 8-ой минуте выдержки пакета под давлением стабилизируется значение модуля упругости, т.е. заканчивается формирование материала и его свойств, а температура наиболее удаленного от плит пресса клеевого слоя достигает 100 17. Время отверждения клея на основе смолы СФЖ-3014 при температуре свыше 100 °С менее 90 с. Поэтому, время выдержки под давлением было снижено до 10 мин. Прочность плит при скалывании по клеевому слою между шпоном и делянками, склеенных по выбранному рациональному режиму при выдержке под давлением 10 минут равна 2,1 МПа, плотность - 549,23 кг/м3.

Остаточная деформация пакета трудногорючей столярной плиты достаточно точно описывается математической моделью: а) в кодированном виде

у = 4,0441 +1,0501 • + 0,7026 • х2 + 0,4848 • х} - 0,7042 • х4 + 0,2673 -хгх2 +

+ 0,24• -хз -0,1221 ■х1-х4-0,3694■ х2-хА-0,2159'Х2-х5 -0,1698 х3•*„ -

-0,2635 -X;

б) в натуральном виде

У = -31,916 - 9,9707 • Р + 0,1861 / + 0,7723 ■ г +1,3178 • П + 0,1954 ■ Я +

+ 8,9М0"2 ■Р^ + 0,4-Рт-0Д018 ?-Я-9,235-10'3^-Я-1,0810-3

-2,1225-Ю"2 -Г-/7-6,5875-10~3 т-Л

Себестоимость производства трудногорючей столярной плиты составила 12497,04 руб/м , что на 1315,74 руб. меньше аналогичного показателя у плиты фанерной трудногорючей.

Выводы и рекомендации

1. Для получения трудногорючей столярной плиты, пригодной к использованию в строительстве, вагоно- и судостроении, необходимо применять 1 лубокую пропитку шпона и делянок в автоклаве (или ванне с последующим удалением сухой соли антипирена с поверхности). Методы глубокой пропитки позволяют достичь большого поглощения антипирена, что обеспечивает получение трудногорючего материала, и проводить дальнейшую обработку и отделку материала без потери трудногорючих свойств.

2. Столярная плита, обоснованной в работе конструкции, относится к группе трудногорючих материалов при содержании антипирена в делянках среднего слоя не менее 8%. При меньшем содержании антипирена, аммиака выделяющегося при горении плиты недостаточно для угнетения пламенного 1 орения боковых кромок плиты.

3. Антипирен оказывает значительное влияние на деформацию трудногорючих столярных плит и характер их деформирования во времени. Даже в минимальных количествах антипирен приводит к снижению полной и остаточной деформации в 1,5...2 раза по сравнению с плитами со средним слоем из непропитанных делянок. Аммиак, содержащийся в полифосфатах аммония, пластифицирует древесину и значительно снижает её модуль упругости. В результате на этапе создания давления происходит значительное уплотнение древесины. В процессе выдержки под давлением кристаллы антипирена начинают оказывать сопротивление сжатию и приводят к снижению скорости деформирования и уменьшают влияние температуры и давления склеивания на деформацию плиты. Деформация пакета трудногорючей столярной плиты в процессе пьезотермической обработки имеет наследс!венный характер и может быть описана уравнениями теории наследственности Больцмана-Вольтерра, а также реологической моделью Максвелла.

4. Плотность трудногорючих столярных плит на 20...30% ниже, чем плотность трудногорючей фанерной плиты. Снижение плотности связано с

применением осины для производства делянок среднего слоя плиты и меньшим содержанием антипирена в них. Плотность столярной плиты зависит от содержания антипирена в делянках. Увеличение количества антипирена приводит к её росту. В тоже время антипирен снижает деформацию, тем самым уменьшая плотность готовой плиты.

5. На прочность трудногорючих столярных плит при статическом изгибе поперек делянок среднего слоя оказывают действие антипирен и остаточная деформация. С увеличением степени пропитки делянок и уменьшением остаточной деформации плит прочность при статическом изгибе снижается. Это вызвано действием антипирена и снижением степени уплотнения делянок среднего слоя. Прочность плит изменяется от 30 МПа до 43 МПа.

6. Влияние содержания антипирена на прочность столярных плит при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после кипячения в воде в течение 1 час слабо выражено. При использовании осины в качестве материала для среднего слоя столярных плит антипирен оказывает положительное влияние на качество склеивания. Он не дает клею проникнуть глубоко в древесину делянок и нарушить целостность клеевого слоя.

7. На основании полученных в ходе многофакторного эксперимента данных установлен рациональный режим склеивания трудногорючей сто-

лярной плиты:

Давление склеивания, МПа 1,4;

Температура плит пресса, °С 110;

Время выдержки под давлением, мин 10;

Содержание антипирена в делянках среднего слоя, % 8;

Расход клея, г/м2 125.

Рациональный режим склеивания позволяет получить минимальную плотность сюлярной плиты при прочности при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после выдержки в воде в течение 1 часа при температуре 100 °С не ниже 1,0 МПа.

8. При объеме производства трудногорючих столярных плит 10000 м3 в год экономический эффект составит 13,16 млн. рублей. Кроме того, положительный эффект от производства разработанной плиты достигается за счет применения невостребованного осиного сырья и снижения плотности материала.

По материалам диссертадии опубликованы следующие работы:

1. Щербаков В.М. Трудногорючие столярные плиты П Сборник докладов молодых ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 7. СПб.: 2003 г. - с. 55-59.

2. Щербаков В.М. Дверной блок повышенной огнестойкости // Лес-проминновации. - 2004, №1. - с. 33-34.

3. Щербаков В.М. Методы придания древесине трудногорючих свойств. 23 с. Деп. ВИНИТИ 09.07.04. № 1181-В2004.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.220.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия, Ученый совет.

ЩЕРБАКОВ ВИТАЛИЙ МАРАТОВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 12.05.05. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 118. С 10а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3

!

«

Г

о

/

РНБ Русский фонд

2006-4 5695

г*

Введение.

1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования.

1.1 Строение и свойства древесины.

1.2 Характеристика антипиренов.:.

1.3 Методы придания древесине трудногорючих свойств.

1.4 Столярные плиты.

1.5 Выводы. Цель и задачи исследований.

2 Основные методические положения.

2.1 Основные положения при проведении исследований.

2.2 Исходные материалы.

2.2.1 Шпон лущеный.

2.2.2 Делянки среднего слоя.:.

2.2.3 Антипирен.

2.2.4 Клей.

2.3 Подготовка шпона и среднего слоя столярной плиты.

2.3.1 Подготовка шпона.

2.3.2 Подготовка среднего слоя.

2.3.3 Конструкция пакета столярной плиты.".

2.4 Постоянные и переменные факторы при проведении исследований.

2.5 Оборудование для проведения экспериментов.

2.6 Методики исследования свойств трудногорючей столярной плиты и обоснование технологии ее изготовления.

2.6.1 Методика определения слойности пакета столярной плиты.

2.6.2 Методика определения направления волокон в слоях пакета столярной плиты.

2.6.3 Методика исследования кинетики нагрева пакета столярной плиты.

2.6.4 Методика исследования деформации пакета столярной плиты.

2.6.5 Методика исследования деформативности пакета трудногорючей столярной плиты.

2.6.6 Методика исследования прочности столярной плиты при статическом изгибе.

2.6.7 Методика исследования прочности столярной плиты при скалывании по клеевому слою.

2.6.8 Методика исследования влияния степени пропитки делянок на группу горючести столярной плиты.

2.6.9 Методика определения рационального режима склеивания.

2.6.10Методика планирования и обработки результатов экспериментальных исследований.

3 Исследование конструкции и свойств трудногорючей столярной плиты.

3.1 Определение слойности пакета столярной плиты.

3.2 Определение направления волокон в слоях пакета столярной плиты.

3.3 Исследование кинетики нагрева пакета столярной плиты.

3.4 Исследование деформации пакета столярной плиты при склеивании.

3.5 Исследование разнотолщинности пакета столярной плиты при прессовании.

3.6 Исследование плотности столярной плиты.

3.7 Исследование прочности столярной плиты при статическом изгибе.

3.8 Исследование прочности столярной плиты при скалывании по клеевому слою.

3.9 Исследование влияния степени пропитки делянок на группу горючести столярной плиты.

3.10 Выводы.

4 Обоснование режима склеивания трудногорючих столярных плит.

4.1 Планирование эксперимента.

4.2 Остаточная деформация пакета трудногорючих столярных плит.

4.2.1 Статистическая оценка результатов реализации матрицы планирования эксперимента.

4.2.2 Анализ результатов эксперимента.

4.3 Прочность при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном.

4.3.1 Статистическая оценка результатов реализации матрицы планирования эксперимента.

4.3.2 Анализ результатов эксперимента.

4.4 Плотность трудногорючих столярных плит.

4.4.1 Статистическая оценка результатов реализации матрицы планирования эксперимента.

4.4.2 Анализ результатов эксперимента.

4.5 Выбор рационального режима склеивания трудногорючих столярных плит.

4.6 Технико-экономическое обоснование производства трудногорючих столярных плит.

4.7 Выводы.

Постоянное техническое развитие общества приводит к увеличению энергонасыщенности гражданских и промышленных зданий, вагонов и судов. Следствием этого является возрастающее с каждым годом число пожаров, вызывающих человеческие жертвы и причиняющих значительный материальный ущерб.

Научно-исследовательские учреждения вагоностроительной промышленности и ВНИИ противопожарной обороны в результате многолетних исследований и опытно-конструкторских работ пришли к выводу о том, что системы пожарной сигнализации и устройства автоматического пожаротушения в реальных условиях эксплуатации парка подвижного состава не в состоянии обеспечить его надежную защиту от пожаров. Но в тоже время они требуют больших затрат на содержание и периодическую зарядку.

Таким образом, помимо развития активных систем пожаротушения, перспективным путем повышения пожаробезопасности зданий, вагонов и судов является применение огнезащищенных материалов и конструкций. Опыт крупных пожаров в зданиях показывает, что огонь, действуя на незащищенные материалы стен и несущих конструкций, приводит к быстрому их разрушению. Использование огнезащищенных материалов при строительстве позволяет предотвратить пожар или замедлить его развитие, а, следовательно, сократить человеческие жертвы и материальный ущерб.

Поэтому, с каждым годом происходит ужесточение требований к пожарной безопасности материалов, используемых в строительстве, вагоно- и судостроении.

Эти требования ограничивают применение древесины и древесных материалов в данных отраслях промышленности. В тоже время древесина является легким и прочным материалом. В этой связи, исследования по созданию трудногорючих древесных материалов являются актуальными как в России, так и за рубежом.

В настоящее время широкое распространение в строительстве и вагоностроении получила трудногорючая фанерная плита, изготовленная из шпона пропитанного антипиреном.

Неизбежным следствием процесса пропитки является увеличение плотности древесины, так как во внутренние полости, имеющиеся в структуре древесины, вводятся дополнительные вещества. Для отнесения фанеры к группе трудногорючих материалов в шпоне должно содержатся не менее 20.25 % ан-типирена. Поэтому, плотность трудногорючих фанерных плит может достигать 850.900 кг/м3.

В тоже время вагоно- и судостроители особое внимание уделяется плотности используемых материалов, так как от этого зависит масса готовых вагонов и судов, и стремятся к её снижению.

Таким образом, задача создания трудногорючего древесного материала, обладающего меньшей плотностью, чем трудногорючая фанера является актуальной.

Одним из путей решения проблемы большой плотности и пожаробезо-пасности является создание трудногорючей столярной плиты.

Известно, что преимуществом столярной плиты по сравнению с фанерой является меньшая плотность при допустимом снижении прочностных показателей. Это свойство является особенно важным при использовании её как конструкционного материала в таких отраслях промышленности как вагоно- и судостроение.

Площадь пласти столярной плиты значительно превышает площадь ее кромок и торцов, поэтому она подвергается наибольшему воздействию огня. Следовательно, огнестойкость получаемого материала в гораздо большей степени зависит от степени и качества пропитки наружных слоев, чем содержания антипирена во внутреннем слое. Поэтому, снижение плотности и стоимости столярных плит возможно за счет уменьшения количества антипирена в делянках среднего слоя.

Для производства фанеры в основном используют березу. Древесина других мягких лиственных пород (осины, ольхи, липы) используется в значительно меньшем объеме.

Известно, что при изгибе максимальные нормальные напряжения действуют в наружных слоях плит. Таким образом, использование в среднем слое плиты мягколиственной древесины, а в наружных слоях твердолиственной не приведет к значительному снижению прочности. Было решено для наружных слоев использовать лущеный шпон из древесины березы, а для среднего слоя -делянки из древесины осины.

Это обосновано следующим. Во-первых, плотность осиновой древесины меньше, чем березовой. Это позволит снизить плотность готового материала. Во-вторых, древесина осины пропитывается лучше и качественней, чем еловая древесина. В-третьих, существуют большие запасы невостребованной осиновой древесины.

Проблема использования древесины мягких лиственных пород весьма актуальна. В перспективе эта задача приобретёт еще большее значение. Возникшая по ряду причин нехватка древесины березы в европейской части страны ставит задачу более полного использования древесины других мягких лиственных пород, значительную часть которых составляет осина.

Среди лиственных лесов России осиновые леса (осинники) занимают второе место после березовых и составляют 16% древостоев. На протяжении последних десятилетий происходило систематическое накопление площадей и запасов осинников, так как осина одна из наиболее производительных древесных пород. Обширный ареал, успешное возобновление естественным путем, быстрый рост, меньший по сравнению со многими другими породами возраст рубки требуют изыскания путей ее рационального использования. Невостребованность осинового сырья при выполнении сплошных рубок создает значительные трудности в работе лесозаготовительных организаций. Как известно, по потребительским свойствам осина мало уступает другим породам. Осина легкая, но довольно прочная и упругая древесина, легко лущится.

Производство столярных плит включает в себя комплекс технологических операций, направленных на получение материала, отвечающего определенным требованиям.

Склеивание слоистых древесных материалов — это сложный физико-химический процесс взаимодействия клея и древесины, который сопровождается тепло- и массообменом, фазовыми превращениями и изменением реологии компонентов [112]. Использование антипирена еще в большей степени затруднит его анализ. Поэтому разработка трудногорючих столярных плит возможна только на основе знаний закономерностей явлений, имеющих место при склеивании, свойств древесины, антипирена и клея.

Таким образом, для решения проблемы создания трудногорючей столярной плиты с применением древесины осины необходимо разработать научные основы технологии склеивания, учитывающей особенности этой породы и влияние антипирена.

В диссертации обобщены основные сведения о деформативности и реологических свойствах древесины, используемых антипиренах, способах огнезащиты древесины и изготовления столярных плит.

Антипирен представляет собой совокупность высокомолекулярных веществ. Они вступают во взаимодействие, как с используемым клеем, так и с древесиной. Учитывая это, в диссертации были проведены исследования направленные на изучение влияния антипирена на физико-механические свойства готового материала и качество склеивания шпона и делянок среднего слоя.

Склеивание пакета трудногорючей столярной плиты представляется как процесс, при котором одновременно происходит нагрев и деформирование шпона, перенос и отверждение связующего. Клей смешивается с солями антипирена, находящимися на поверхности шпона, и проникает в древесину. Воздействие антипирена и температуры на древесину при горячем склеивании существенно снижает ее модуль упругости, изменяет характер деформирования. В работе проведены исследования по установлению характера деформирования и нагрева пакета столярной плиты.

В работе обоснованы конструкция и режимы склеивания трудногорючей столярной плиты с использованием осиновой и березовой древесины.

Цель работы. Создание трудногорючих конструкционных древесных материалов и технологии их изготовления.

Научной новизной обладают:

1. Степень содержания антипирена в делянках среднего слоя из древесины осины, позволяющая получить трудногорючую столярную плиту с низкой плотностью и требуемыми прочностными показателями.

2. Математические модели, описывающие плотность и прочность при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном, позволяющие обосновать параметры режима склеивания трудногорючих столярных плит.

3. Модели деформирования древесины и древесных материалов, пропитанных антипиреном на основе полифосфатов аммония, имеющие принципиальное отличие от моделей деформирования непропитанной древесины в скорости изменения деформаций.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Пропитка древесины осины антипиреном на основе полифосфатов аммония повышает ее огнестойкость, изменяет упругие и другие физико-механические свойства.

2. Применение антипирена, представляющего собой минеральную соль, содержащую аммиак, существенно снижает влияние температуры и давления склеивания на деформацию древесины в процессе ее пьезотер-мической обработки.

3. Деформации обработанной антипиреном древесины при горячем склеивании имеют наследственный характер и могут быть описаны уравнениями теории наследственности Больцмана-Вольтерра.

Достоверность сформулированных в диссертации предположений и выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований, применением для анализа деформативности реологической модели Максвелла и теории наследственности Больцмана-Вольтерра, а также положительными результатами испытаний опытно-промышленной партии продукции, проведенных в условиях ЗАО "Архангельский фанерный завод" (г. Новодвинск, Архангельская область). Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, их адекватность подтверждается проверкой в соответствии с общепринятыми методиками.

Практическая значимость работы:

1. Обоснована конструкция пакета и определены физико-механические свойства трудногорючей столярной плиты, позволяющей повысить пожаростойкость строительных конструкций и транспортных средств.

2. Разработан режим склеивания трудногорючих столярных плит с использованием древесины осины.

Применение в промышленности и строительстве разработанного материала с использованием древесины осины позволит:

1. Увеличить сырьевую базу лесопромышленного производства и эффективность лесозаготовок за счет использования маловостребованной древесины осины.

2. Повысить огнестойкость и снизить массу конструкционных материалов используемых в строительстве, вагоно- и судостроении.

3. Сократить расход антипирена и клея по сравнению с трудногорючей фанерной плитой.

Место проведения: Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова на кафедре технологии деревообрабатывающих производств.

Апробация работы: Промышленная проверка разработанных режимов получения трудногорючей столярной плиты из древесины осины и березы проведена на ЗАО "Архангельский фанерный завод" (г. Новодвинск, Архангельская область). Разработаны технические условия (Приложение III) и осуществлен выпуск опытной партии (Приложение IV).

По результатам исследований опубликовано 3 статьи.

4.7 Выводы.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. На основании полученных в ходе эксперимента данных установлен рациональный режим склеивания трудногорючей столярной плиты толщиной 22 мм. Режим склеивания справедлив при использовании в качестве исходных материалов: березового шпона, осиновых делянок, клея на основе смолы марки СФЖ-3014 и антипирена на основе полифосфатов аммония. Рациональный режим склеивания трудногорючих столярных плит позволяет получать материал с минимально возможной плотностью при требуемой прочности плит при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном. В пределах варьирования переменных факторов, эти показатели достаточно точно описываются математическими моделями:

- прочность при скалывании по клеевому слою: а) в кодированном виде

У = 2,4284 + 0,1803 • х1 + 0,2404 • х2 + 0,4039 • х3 + 0,0982 • х4 + 0,2379 • х5 - 0,0275 • х, • х2 - 0,089 -хгх3 + 0,0975 •х1-х4

- 0,0205 -хгх5 - 0,2803 • х2 • х3 + 0,0229 • х2 • х4

- 0,1582 • х2 • х5 - 0,0589 • х3 • х5 + 0,0335 • х4 • х5 б) в натуральном виде

У = -40,256 + 2,7049 • Р + 0,2876 • t + 2,3495 ■ г - 0,243 ■ П + + 0,1223 • Я - 9,1667 • 10~3 • Р ■ г - 0,1482 • Р • г + 8,125 • 10"2 • Р ■ П --3,4167-Ю-3 - Р-Д-1,4015-10~2 - ¿т+ 5,725-Ю-4 1-П-- 7,91 • 10"4 • Я -1,4725 • Ю-3 • г • Я + 4,1875 • Ю-4 • Я • Д

- плотность: а) в кодированном виде

Г = 578,338+10,6991 • х^ + 7,7179- х2 +1,2833 • х3 +10,3458-х4 + + 7,5909-х5 + 3,4195 -хх • х2 +1,6391-х3-\,206-х1 ■ х4 --1,9521 • х2-х3 -1,0368 ■ л:2 • х5 +1,1296 ■ х3 • х4 + 1,5765 • х3 • х5 б) в натуральном виде

Г = 457,8452 - 116,3797 • Р + 0,5618 • г + 0,3001 • г + 2,883 • Я + + 0,6075 • Я +1,1398 • Р ■ г + 2,7323 • Р • т -1,005 • Р • Я

-9,7603-Ю"2 •Гт-5,184-10~3 -Г-Я + 0,1412т-Я + 3,914-Ю"2 -т • Я

2. Остаточная деформация пакета трудногорючей столярной плиты достаточно точно описывается математической моделью: а) в кодированном виде

Г = 4,0441 +1,0501 • х1 + 0,7026 • х2 + 0,4848 • х3 - 0,7042 • х4 + + 0,2673-х, -х2 +0,24-Л:, -Х3 -0,1221-Х, -0,3694-Д:2 -Х4 -- 0,2159 -х2 •х5 -0,1698-х3 -л:4 -0,2635 -х3 • х5 б) в натуральном виде

Г = -31,916-9,9707-Р + 0,1861-Г+ 0,7723-г+ 1,3178-Я + + 0,1954 • Я + 8,91 • 10"2 • Р • / + 0,4 • Р • т - 0,1018 • Р • Я --9,235-Ю-3 - Г-Я-1,08-10"3 Я-2,1225-10"2 т-Я--6,5875-Ю-3 -т-Я

3. Цеховая себестоимость производства трудногорючей столярной плиты составила 12497,04 руб/м3, что на 1315,74 руб. меньше аналогичного показателя у плиты фанерной трудногорючей. При объеме производства 10000 м3 в год экономический эффект составит 13,16 млн. рублей. Кроме экономического, положительный эффект от производства трудногорючей столярной плиты достигается за счет применения невостребованного осиного сырья и снижения массы материала.

Заключение.

В результате проделанной работы подтверждена актуальность темы исследований, определяемая потребностью отдельных отраслей экономики в трудногорючих материалах.

На основании анализа состояния вопроса, теоретических и экспериментальных исследований установлено:

1. Для получения трудногорючей столярной плиты, пригодной к использованию в строительстве, вагоно- и судостроении, необходимо применять глубокую пропитку шпона и делянок в автоклаве (или ванне с последующим удалением сухой соли антипирена с поверхности). Методы глубокой пропитки позволяют достичь большого поглощения антипирена, что обеспечивает получение трудногорючего материала, и позволяют проводить дальнейшую обработку и отделку материала без потери трудногорючих свойств.

2. Столярная плита, обоснованной в работе конструкции, относится к группе трудногорючих материалов при содержании антипирена в делянках среднего слоя не менее 8%. При меньшем содержании антипирена, аммиака выделяющегося при горении плиты недостаточно для угнетения пламенного горения боковых кромок плиты.

3. Антипирен оказывает значительное влияние на деформацию трудногорючих столярных плит и характер их деформирования во времени. Даже в минимальных количествах антипирен приводит к снижению полной и остаточной деформации в 1,5.2 раза по сравнению с плитами со средним слоем из непропитанных делянок. Аммиак, содержащийся в полифосфатах аммония, пластифицирует древесину и значительно снижает её модуль упругости. В результате на этапе создания давления происходит значительное уплотнение древесины. В процессе выдержки под давлением кристаллы антипирена начинают оказывать сопротивление сжатию и приводят к снижению скорости деформирования и уменьшают влияние температуры и давления склейвания на деформацию плиты. Деформация пакета трудногорючей столярной плиты в процессе пьезотермической обработки имеет наследственный характер и может быть описана уравнениями теории наследственности Больцмана-Вольтерра, а также реологической моделью Максвелла.

4. Плотность трудногорючих столярных плит на 20.30% ниже, чем плотность трудногорючей фанерной плиты. Снижение плотности связано с применением осины для производства делянок среднего слоя плиты и меньшим содержанием антипирена в них. Плотность столярной плиты зависит от содержания антипирена в делянках. Увеличение количества антипирена приводит к её росту. В тоже время антипирен снижает деформацию, тем самым уменьшая плотность готовой плиты.

5. На прочность трудногорючих столярных плит при статическом изгибе поперек делянок среднего слоя оказывают действие антипирен и остаточная деформация. С увеличением степени пропитки делянок и уменьшением остаточной деформации плит прочность при статическом изгибе снижается. Это вызвано действием антипирена и снижением степени уплотнения делянок среднего слоя. Прочность плит изменяется от 30 МПа до 43 МПа.

6. Влияние содержания антипирена на прочность столярных плит при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после кипячения в воде в течение 1 час слабо выражено. При использовании осины в качестве материала для среднего слоя столярных плит антипирен оказывает положительное влияние на качество склеивания. Он не дает клею проникнуть глубоко в древесину делянок и нарушить целостность клеевого слоя.

7. На основании полученных в ходе многофакторного эксперимента данных установлен рациональный режим склеивания трудногорючей столярной плиты:

Давление склеивания, МПа 1,4;

Температура плит пресса, °С 110;

Время выдержки под давлением, мин 10;

Содержание антипирена в делянках среднего слоя, % 8;

Расход клея, г/м2 125.

Рациональный режим склеивания позволяет получить минимальную плотность столярной плиты при прочности при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после выдержки в воде в течение 1 часа при температуре 100 °С не ниже 1,0 МПа.

8. При объеме производства трудногорючих столярных плит 10000 м3 в год экономический эффект составит 13,16 млн. рублей. Кроме того, положительный эффект от производства разработанной плиты достигается за счет применения невостребованного осиного сырья и снижения плотности материала.

1. Baily W.J., Plyiware. Journal American Society., № 1, 1985.-165.

2. Petrovic Stjepan, Klekar Josip. «Neke mogucnosti proizvodnje vatrootpornih furnirskin ploca» «Drvan ind.», 1986, 37, №3-4, 59-64.

3. Wytwer Tadeusz, «Chemiczna konserwacja drewna» Przem. Drzew - 1992 -43, № 4, c. 23-24.

4. Азаров В.И., Буров A.B., Оболенская A.B. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов. СПб.: СПбГЛТА, 1999. 628 с.

5. Ахназарова C.JL, Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: Учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 327 с.

6. Балакин М.И., Бирюков В.Г. Термовлажностная подготовка хвойного шпона для проведения диффузионной пропитки. Комплексное использование древесины при производстве композиционных материалов // Научн. тр. Вып. 317. - М.: МГУЛ, 2002. - с. 45-48.

7. Барабанова A.B. Антипирены и огнестойкие пластмассы за рубежом // Химическая промышленность за рубежем.- 1975, № 5 с. 17-35.

8. Белоногова H.A. Описание и анализ математической модели процесса пропитки древесины в центробежном поле. Лесосечные, лесоскладские работы и транспорт леса: Межвуз. сб. науч. тр.// СПбЛТА. СПб.: ЛТА, 1999.-100 с.

9. Белый В.А., Анненков В.Ф., Екименко H.A. Модификация прессованной древесины полимерными смолами // Пластификация и модификация древесины. Рига: 1970. с. 203-210.

10. Ю.Белянкин Ф.П., Яценко В.Ф., Дыбенко Г.И. Прочность и деформативность слоистых пластиков. Киев: Наукова думка, 1964 219 с.

11. П.Бирюков В.Г., Мишков С.Н., Соболев A.B. Комбинированная фанера: структура, схемы сборки и свойства. Комплексное использование древесины при производстве композиционных материалов // Научн. тр. Вып. 317. - М.: МГУЛ, 2002. - с. 40-44.

12. Боровиков A.M., Уголев Б.Н. Справочник по древесине: Справочник. Под ред. Б.Н. Уголева. М.: Лесн. пром., 1989. - 296 с.

13. Булгаков В.И. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса пропитки и покраски древесины в звуковом поле. Автореф. дис. на со-иск. ученой степени канд. техн. наук. М., 1981.

14. Бурко Л.В., Воронцова Т.Г. Исследование ультразвука при консервировании древесины // Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса: Тез. док. обл. науч.-техн. конф. Урал. гос. лесо-техн. акад. Екатеринбург, 1997. с. 47-48.

15. Бывших М.Д., Федоров Н.И. Защитная обработка древесины: Учебник для техникумов. М.: Лесная пром-сть, 1981. 144 с.

16. Веселов A.A. и др. Отчет о научно-исследовательской работе "Разработать и освоить производство огнезащищенных атмосферостойких фанерных плит для вагоностроения". Л., ЦНИИФ 1985. - 139с.

17. П.Власов Г.Д., Куликов В.А., Родионов C.B. Технология деревообрабатывающих производств. М.: Лесная промышленность, 1967. 503 с.

18. Волков A.B. Формирование защитно-декоративных материалов из шпона повышенной огнестойкости для пассажирского вагоностроения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: СПбГЛТА, 1997.

19. Волынский В.Н. Технология клееных материалов: Учебное пособие для вузов. (2-е изд., исправленное и дополненное). Архангельск: Изд-во АГТУ, 2003.280 с.

20. Воронцова Т.Г. Материалы исследования воздействия ультразвука на глубину пропитки древесины // Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса: Тез. док. обл. науч.-техн. конф. Урал. гос. лесо-техн. акад. Екатеринбург, 1997. с. 41-42.

21. Голынко-Вольфсон С.Л. и др. Химические основы и применение фосфатных связок и покрытий. Л., "Химия", 1968.-157с.

22. Горшин С.Н. Консервирование древесины. М.: Лесная промышленность, 1977-334 с.

23. ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения».

24. ГОСТ 13715-78 «Плиты столярные. Технические условия».

25. ГОСТ 16712-76 «Антисептики для древесины. Метод испытания на токсичность».

26. ГОСТ 20022.0-93 Древесина. Консервирование. Объекты защиты и параметры защищенности.

27. ГОСТ 20022.5-75 Древесина. Консервирование. Автоклавная пропитка маслянистыми антисептиками под давлением.

28. ГОСТ 20022.6-76 Древесина. Консервирование. Пропитка способом прогрев-холодная ванна.

29. ГОСТ 20022.7-76 Древесина. Консервирование. Автоклавная пропитка водорастворимыми антисептиками под давлением.

30. ГОСТ 20022.8-76 Древесина. Консервирование. Пропитка способом вакуум-атмосферное давление-вакуум.

31. ГОСТ 20022.9-76 Древесина. Консервирование. Капиллярная пропитка способом нанесения на поверхность.

32. ГОСТ 20907-75. Смолы формальдегидные. Технические условия.

33. ГОСТ 9621-87 «Древесина слоистая клееная. Методы определения физических свойств».

34. ГОСТ 9624-87 «Древесина слоистая клееная. Методы определения предела прочности при скалывании».

35. ГОСТ 9625-87 «Древесина слоистая клееная. Методы определения предела прочности и модуля упругости при статическом изгибе».

36. ГОСТ 99-96. Шпон лущеный. Технические условия.

37. Дерево номера. Осина. // Дерево.Яи. Май-июнь 2003 г. с. 16-19.

38. Доронин Ю.Г., Свиткина М.М., Мирошниченко С.Н. Синтетические смолы в деревообработке. М.: Лесная промышленность, 1979 - 208 с.

39. Ермолин В.Н. Анатомические основы проницаемости древесины хвойных пород // Технология и оборудование деревообрабатывающих производств. Межвуз. сб. науч. тр. СПбГЛТА. СПб.: 1998. - с. 78-81.

40. Ермолин В.Н. Основы повышения проницаемости жидкостями древесины хвойных пород: Монография. Красноярск, СибГТУ, 1999. - 100 с.

41. Ермолин В.Н., Деревянных Д.Н. Глубокая пропитка древесины хвойных пород с использованием переменного давления // Технология и оборудование деревообрабатывающих производств. Межвуз. сб. науч. тр. СПбГЛТА. СПб.: 1998. - с. 81-86.

42. Иванов Ю.М., Панфилова А.Л. Ускоренные метод пропитки древесины в горяче-холодной ванне. Научное сообщение ЦНИИСК, М., Госстройиз-дат, 1958 г.

43. Исследование деформаций древесины в процессе ее переработки. Отчет о НИР (заключительный). СПбГЛТА им. С.М. Кирова. Руководитель темы к.т.н. E.H. Кандакова. Шифр №Т02-11.4-934. СПб.: 2004 г.

44. Калниньш А.Я., Горшин С.Н., Никифоров Ю.Н. и др. Консервирование и защита лесоматериалов: Справочник. М.: Лесная пром-сть, 1971. 424 с.

45. Кандакова E.H. Технология склеивания огнезащищенной фанеры из осинового шпона. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: СПбГЛТА, 2000.

46. Кириллов А.Н., Бирюков В.Г., Мишков С.Н. «Огнезащищенная фанера конструкционного назначения: Обзорная информация по информационному обеспечению научно-технических программ., Вып. 5» — М.: ВНИПИЭИлеспром, 1986. 44 с.

47. Колосовская Е.А., Лоскутов С.Р., Чудинов Б.С. Физические основы взаимодействия древесины с водой. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1989. -216 с.

48. Колтунов М.А. Ползучесть и релаксация. М., 1976. — 260 с.51 .Кондратьев С.Ф., Куценко A.B., Садовникова Т.А. Защита древесины. 2-е изд. Киев, 1976-173 с.

49. Куликов В.А., Василевская П.В., Троязыкова Л.И. Защитные покрытия клееных деревянных конструкций // Совершенствование технологии и техники производства клееных деревянных конструкций. Л., 1975. - с. 59-67.

50. Леонович A.A. Огнезащита древесины и древесных материалов: Учебное пособие. СПб.: СПбГЛТА, 1994 148 с.

51. Леонович A.A. Современные способы изготовления огнезащищенных древесных плит (Обзор). М., 1978 36 с.

52. Леонович A.A. Обеспечение уровня качества древесных плит пониженной пожарной опасности // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности 2000, №4 (28). - с. 120-123.

53. Леонович A.A. Свойства огнезащищенных древесных материалов // Деревообрабатывающая промышленность 1994-№4, с. 12-14.

54. Леонович A.A. Снижение горючести древесных плит и фанеры // Плиты и фанера 1982, № 3 - с. 36

55. Леонович A.A., Шелоумов A.B. Фосфорамид ФКМ новый антипирен для древесноплитных материалов // Древесные плиты: теория и практика. Четвертый научно-практический семинар. 21-22 марта 2001 г. - СПб., 2001 - с. 56-59.

56. Леонович A.A., Шелоумов A.B. Снижение пожарной опасности древесных материалов, изделий и строительных конструкций. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002 59 с.

57. Лунева Н.К., Трофимова И.В. и др. Способ обработки древесных материалов хвойных и лиственных пород Пат. №1628475, Россия, опубл. 20.12.95, бюл. №35.

58. Лусе И.С., Крейтус А.Э., Колосова Т.Н. и др. Состав для био- и огнезащиты-А. с. №1810284, СССР, опубл. 23.04.93, бюл. №15.

59. Макаренков В.Н. Влияние температуры и влажности на механические свойства древесины осины и черной ольхи: Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Л., 1956 - 18 с.

60. Мамедова З.К. Обеспечение долговечности деревянных конструкций пропиткой древесины новыми защитными составами. Автореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. М.: 1977.

61. Механические свойства древесины: деформативность // Дерево-RU. Январь-февраль 2003 г. с. 38-39.

62. Мирошниченко С.Н. Отделка древесных плит и фанеры. М.: 1976. 176 с.

63. Митропольский А.И. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971 -576 с.

64. Москалева В.Е. Строение древесины и его изменение при физических и механических воздействиях. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 168 с.

65. Мохан Б.В. Пути развития в области антипиренов // Пожарная охрана -1975, №15 с. 2-4.

66. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.: Изд-во АН СССР, 1962 -711 с.

67. Николаев Н.Е., Мирецкий В.Ю. Огнезащищенные древесные плиты: Обзор. информ. по информ. обеспечению целевых комплексных научно-техн. программ.; Вып. 1. — М.: ВНИПИЭИлеспром, 1985. 48 с.

68. НПБ 251-98. Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний.

69. Орлов A.B., Трофимова И.В., Томин Г.С., Чурикова Э.К., Самохвалов Е.П. Огнезащищенные фанерные плиты для вагоностроения: Обзорная информация. Плиты и фанера: Вып. 5. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1989. -48с.

70. Оснач H.A. Проницаемость и проводимость древесины. М.: Лесная пром-сть, 1964. - 184 с.

71. Оснач H.A., Скляренко Б.С. Улучшение свойств строительной древесины. Киев, «Будевельник», 1978 109 с.

72. Панфилова А.Л. Огнезащитная пропитка древесины ускоренным методом в горяче-холодных ваннах // Защита древесных конструкций от возгорания. М.: 1958.

73. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины. — М.: Лесная пром-сть, 1990. 304 с.

74. Пауль Э.Э. Увеличение пропиточной емкости мокрой древесины методом центрифугирования // Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности. Тезисы докладов XVIII научно-технической конференции. Киев, 1991.-е. 101-102.

75. Перечень сертифицированных средств обеспечения пожарной безопасности // Пожаровзрывобезопасность. 1998. №1. с. 104-118.

76. Перечень сертифицированных средств огнезащиты (дополнение) // Пожаровзрывобезопасность. 1998. №3. с. 103.

77. Пижурин A.A. Научные исследования в деревообработке. Основы научных исследований: Текст лекций для студентов специальности 2602.00 и 1704.00 специализации «Машины и оборудование деревообрабатывающие промышленности». М.: МГУЛ, 1999. - 103 с.

78. Повышение огнестойкости фанеры с применением новых составов анти-пиренов на основе ЖКУ. Отчет по хоздоговору №7у/98. Научный руководитель Чумак В.Т. ОАО «Воскресенский НИУиФ», г. Воскресенск, 1998 г.

79. Покровская E.H., Никифорова Т.П. и др. Биоогнезащитный состав для древесины Пат. №2011512, Россия, опубл. 30.04.94, бюл. №30.

80. Покровская E.H., Никифорова Т.П. и др. Состав для био- и огнезащиты -А. с. №1810283, СССР, опубл. 23.04.93, бюл. №15.

81. Производство фанеры. Руководящие технико-технологические материалы. (РТТМ). РД 3-2000. СПб.: 2000.

82. Реестр сертифицированной продукции в Системе сертификации в области пожарной безопасности // Пожаровзрывобезопасность. 2000. №5. с. 48-65.

83. Розов В.Н., Савченко В.Ф. Облицовывание столярно-мебельных деталий и изделий: Учебник для проф.-тех. училищ. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1983. - 175 с.

84. Рыков Р.И. Влияние концентрации антипиренов на прочность склеивания древесины. // ИВУЗ «Строительство и архитектура», 1972, 2.

85. Рыков Р.И. К антипирированию клееной древесины // Особенности строительства в условиях Восточной Сибири. Иркутск, 1974, с. 70-78.

86. Рыков Р.И. Концентрации антипиренов, снижающие прочность склеивания // ИВУЗ «Строительство и архитектура», 1971, 2.

87. Рыков Р.И. Прочностные характеристики антипирированной древесины при высокотемпературном нагреве // Лесной журнал: известия вузов. -1983, №2.-с. 64-68.

88. Серговский П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. М., 1975-400 с.

89. Собурь C.B. Огнезащита материалов и конструкций: Справ. М.: Спецтехника, 2002. 240 с.

90. Совершенствование методик выполнения измерений. Метрологическая аттестация методики определения содержания массовой доли Р2О5 в фанерном шпоне. Отчет. НПО «Йодобром». Руководитель темы Е.П. Самохвалов, №5904/0, Саки, 1989 24 с.

91. Справочник фанерщика. Сост. коллективом сотрудников ЦНИИФ под редакцией к.т.н. И.А. Шейдина. — 3-е изд., испр. и доп. М.: Лесная промышленность, 1968. - 832 с.

92. Столярные щиты из делянок с продольными пропилами. Тех. док. М.: ОПТИ, «Инжтехпомощь», 1957 г.

93. Суханов В.А. Исследование процесса и разработка технологии пропитки древесины способом «вакуум-атмосферное давление-вакуум». Автореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. М.: 1977.

94. Темкина Р.З. Синтетические клеи в деревообработке. М.: Лесная промышленность, 1971 -288 с.

95. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М.: Лесная промышленность, 1975 г. 384 с.

96. Устинова А.И. Пропитка древесины по способу ВАДВ // Достижения науки в области защитной обработки древесины. Материалы конференции 28-30 июня 1978 г. Москва, 1979. с. 75-77.

97. Фрейдин A.C. Полимерные водные клеи. М.: Химия, 1985 114 с.

98. Харук Е.В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. Новосибирск: Изд-во «Наука» Сибирское отделение, 1976. - 190 с.

99. Харук Е.В., Ковригин Г.С. Проблемы пропитки древесины // Модификация древесины. Материалы Всесоюзной конференции (5-7 июня 1990 г.). Минск, 1990. с. 6.

100. Хрулев В.М., Машкин H.A., Дорофеев Н.С. Модифицированная древесина и ее применение. Кемеровское книжное издательство, 1988. 120 с.

101. Хрулев В.М., Машкин, H.A., Маньшин А.Г. Облагороженная древесина для отделки зданий. Учебное пособие. Новосибирск: изд. НИСИ им. В.В. Куйбышева, 1989 80 с.

102. Хрулев В.М., Рыков Р.И. Защита клееных конструкций от возгорания. Иркутск: Восточно-Сибирское книжное издательство, 1972 39 с.

103. Хунт М., Геррат А. Консервирование древесины (перевод с англ. под ред. С.Н. Горшина). M.-JL: Гослесбумиздат, 1961 -453 с.

104. Хухрянский П.Н. Прессование древесины. 3-е изд., исправленное и дополненное. - М.: Лесная промышленность, 1964 - 352 с.

105. Чубинский А.Н. Исследование процесса склеивания шпона из древесины лиственницы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. JL, 1977.

106. Чубинский А.Н. Формирование клеевых соединений древесины. СПб.: СПб ГУ, 1992 г.-164 с.

107. Чубинский А.Н. Экспериментальное обоснование реологической модели пакета шпона при склеивании // Технология и оборудование деревообрабатывающих производств. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 9. JL, 1980. с. 3437.

108. Чудинов B.C. Вода в древесине. Новосибирск: Наука, 1984. — 281 с.

109. Шаплыко В.И., Балыков B.C., Елец Ю.Р., Кожин В.П., Ситко К.К. Центробежная пропитка древесины. В сб. «Модификация древесины. Материалы Всесоюзной конференции (5-7 июня 1990 г.)». Минск, 1990. с. 13.

110. Шрайбер Г., Порет П., Огнетушащие средства. М.: Стройиздат, 1975.148 с.

111. Шутов Г.М. Повишаване на огнеутойчивостта на дървесината и дървесните материалы // Дървеообраб. и мебел. пром. — 1990, № 3, с. 2730.