автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Модифицирование древесных частиц в процессе приготовления стружечно-клеевой композиции

Введение.

1. Формирование структуры древесностружечной плиты в процессе приготовления стружечно-клеевой композиции.

1.1. Модели структуры древесностружечной плиты.

1.2. Формирование свойств древесных частиц в процессе изготовления ДСтП.

1.3. Физико-химические закономерности взаимодействия древесины со связующим.

1.4. Закономерности процесса смешивания древесных частиц со связующим.

1.5. Задачи исследования.

2. Методика исследования.

2.1. Сырье и материалы.

2.2. Методики определения.

2.3. Обработка экспериментальных данных.

2.4. Изготовление образцов ДСтП.

2.5. Физико-механические испытания образцов ДСтП.

3. Оценка свойств осмоленных древесных частиц.

3.1. Определение фракционного состава и удельной поверхности древесных частиц.

3.2. Изучение распределения связующего по древесным частицам.

4. Исследование прочности клеевых соединений древесины.

5. Исследование закономерностей взаимодействия древесных частиц со связующим.

6. Модифицирование древесных частиц для упрочнения клеевого шва.

7. Исследование свойств ДСтП из стружки, обработанной модификатором.

8. Технологическая схема и основные параметры изготовления ДСтП с пониженным расходом связующего.

9. Экономическая эффективность производства ДСтП из модифицированных древесных частиц.

Производство древесных плит является неотъемлемой частью лесопромышленного комплекса страны. Данное производство базируется на наличии больших лесных ресурсов и ориентируется на технологическое сырье, не находящее применения в целлюлозно-бумажном производстве, лесопилении, производстве фанеры, столярно-строительных изделий и др.

За 10 лет производство древесных плит в нашей стране сократилось в 2 раза. В последние годы наметился небольшой рост производства древесностружечных плит. Так, в 2002 г. производство ДСтП составило 105,5 % по отношению к 2001 г [64].

Следует отметить, что до 50 % древесных плит не соответствует современным требованиям по качеству и по удельным затратам на производство [64]. Древесностружечные плиты, вырабатываемые российскими предприятиями, имеют низкую конкурентоспособность, из-за высокой ма-териало- и энергоемкости. Наиболее крупной статьей затрат в калькуляции себестоимости ДСтП являются расходы на связующее, которые составляют около 35 % от общей суммы. Дальнейшее развитие производства древесностружечных плит требует уменьшения расхода связующего [27].

Древесностружечная плита - это композиционный материал, состоящий из древесных частиц, склеенных между собой полимерным связующим. Древесным частицам, также как и природной древесине, свойственна капиллярная впитываемость, которая сильно различается вдоль и поперек волокон. Поверхность древесных частиц обладает повышенной шероховатостью, что связано с особенностями их получения. В связи с этим, не все связующее, нанесенное на поверхность стружки, участвует в образовании клеевого шва. Часть его впитывается древесиной или затекает в неровности поверхности стружки и при горячем прессовании не вступает в контакт с рядом лежащей древесной частицей. Увеличение доли связующего, участвующего в образовании клеевых швов, позволит снизить материалоемкость производства и повысить его экономическую эффективность.

Склеивание древесных частиц в производстве древесностружечных плит осуществляется карбамидоформальдегидным олигомером в количестве 8. 14 % от массы древесины, что в пересчете на поверхность древесных частиц составляет 4.7 г/м2 [53], поэтому стружка не имеет сплошного покрытия своей поверхности связующим. На пласти древесной частицы в образовании клеевого шва участвует большее количество связующего, чем на торцах. Это связано с геометрией древесных частиц, их расположением, отсутствием давления, а также впитыванием связующего. Поэтому связующее нужно переместить на поверхность пласти древесных частиц, а не внутрь по торцам, как это происходит при осмолении в высокооборотных смесителях. Для этого необходимо инактивировать торцы на основе физико-химического регулирования смачивания поверхности древесных частиц. Цель исследования состоит в том, чтобы модифицированием древесных частиц в процессе приготовления стружечно-клеевой композиции создать условия для рационального распределения связующего преимущественно по поверхности пласти. Это даст возможность получать более прочное клеевое соединение.

Для достижения поставленной цели необходимо провести оценку свойств осмоленных древесных частиц после операции смешивания стружки со связующим. В частности, установить распределение связующего по фракциям и поверхности древесных частиц. Это позволит количественно выявить зоны повышенного содержания связующего в осмоленных древесных частицах.

Определение прочности клеевых соединений образцов древесины с различным направлением волокон выявит слабые участки в структуре древесностружечных плит.

Предполагается, что снижение прочности клеевых соединений связано с повышенной впиты ваемостью связующего торцевыми поверхностями древесных частиц. Для подтверждения этой гипотезы необходимо исследовать процесс взаимодействия древесины со связующим и разработать метод модифицирования поверхности древесных частиц для увеличения количества связующего, участвующего в образование клеевого шва. Это, в свою очередь, позволит снизить расход связующего в производстве древесностружечных плит.

На защиту выносятся:

1. Характеристика стружечно-клеевых смесей применяемых для изготовления ДСтП с мелкоструктурной поверхностью.

2. Прочность клеевых соединений древесины при расходах связующего, характерных для производства ДСтП.

3. Кинетика впитывания связующего при кратковременном контакте его с древесиной.

4. Способ модифицирования поверхности древесных частиц с целью снижения смачиваемости древесины связующим.

5. Основные параметры изготовления ДСтП с пониженным расходом связующего из стружки,модифицированной расплавом парафина.

6. Технологический процесс производства ДСтП с пониженным расходом связующего на Нововятском лыжном комбинате.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполнения диссертационной работы сделаны следующие выводы:

1. Разработан метод модифицирования древесных частиц расплавом парафина, позволяющий равномерно распределить связующее по древесным частицам и получить более прочное клеевое соединение. Это, в свою очередь, позволяет сократить расход связующего в производстве ДСтП.

2. Показано, что в условиях современного промышленного производства ДСтП с мелкоструктурной поверхностью удельные расходы связующего для стружки наружных и внутреннего слоев составляет 1,1 и 1,8 г/м поверхности соответственно. Основная часть связующего в обоих слоях содержится во фракции 1/0 и для стружки наружного слоя она составляет 84,2 % всей смолы, а для стружки внутреннего слоя - 53,0 %.

3. Установлено, что связующее на отдельных древесных частицах распределяется неравномерно. Крупные имеют большую степень покрытия поверхности, чем мелкие. Последние характеризуются высоким содержанием связующего в объеме. Причем в торцевой части крупных древесных частиц связующего больше, чем на пласти.

4. На модельных образцах древесины показано, что вследствие впитывания связующего степень осмоления поверхности торцев в 1,5.2 раза ниже, чем у тангенциальной поверхности. Это одна из причин того, что клеевые соединения торцев является наиболее слабым участком в структуре древесностружечной плиты.

5. Исследованием процесса впитывания раствора КФО древесиной на модельных образцах установлено, что за время, соответствующее времени нахождения стружки в смесителях (12.20 с), впитываемость связующего тангенциальной поверхностью древесины осины, сосны и березы в средл нем составляет 0,05.0,09 кг/м , а торцевой поверхностью - 0,12.0,18 кг/м поверхности древесины.

6. Влияние анатомического строения древесины на различную впитываемость раствора КФО подтверждено определением коэффициентов диффузии, которые для торцевой поверхности через 20 с контакта со связующим больше, чем для тангенциальной примерно в 28 раз для древесины осины, в 14 и 7 раз для древесины сосны и березы соответственно.

7. Установлено на модельных образцах, что в процессе взаимодействия связующего с древесиной первоначально идет избирательное поглощение воды и низкомолекулярных фракций олигомера внутрь образца. По мере пропитки концентрации впитавшегося раствора внутри образца древесины увеличивается. Глубина проникновения связующего за время, соответствующее времени осмоления, составляет порядка 200 мкм, а это сравнимо с толщиной древесных частиц, составляющих 70 — 80 % в производстве ДСтП.

8. Показано, на модельных образцах древесины, обработанных расплавом парафина до содержания 0,1 г/м поверхности, что в процессе нанесения на них связующего происходит уменьшение впитываемости как для торцевой, так и для тангенциальной поверхности образцов в 1,4.2,5 раза по сравнению с ^модифицированными образцами. Краевой угол смачивания при этом на торцевой поверхности увеличивается с 5. 10 0 до 60.90 а на тангенциальной поверхности, как вдоль, так и поперек волокон - с 15.20° до 40.70

9. В результате определения содержания связующего в различных фракциях промышленной стружки с парафином и без него выявлено, что при добавлении парафина происходит увеличение содержания связующего на крупных древесных частицах при снижении его на более мелких. Для стружки наружного слоя это увеличение составляет порядка 7 %, а для стружки внутреннего слоя - 13 %.

10. Исследование физико-механических свойств модифицированных ДСтП показало, что обработка стружки парафином повышает прочность и водостойкость плит. Это обеспечивает получение плит повышенной водостойкости и марки П-А по ГОСТ 10632-89. В целом расход связующего может быть сокращен на 10.15 % от применяемого в настоящее время.

11. Промышленная проверка разработанной технологии и исследование свойств изготовляемых плит в цехе ДСтП ОАО «Нововятский лыжный комбинат» показала, что обработка древесных частиц парафином является экономически выгодной.

1. Анисова Н. П. Число контактов между частицами в ДСтП// Технология деревообработки. Красноярск, 1972. - с. 88-95.

2. Анисова Н. П. Исследование влияния структурно-механических и технологических факторов на физико-механические свойства ДСтП. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Красноярск, 1973. 18 с.

3. Анохин А. Е. Снижение токсичности мебели. М.: МГУЛ, 2002. - 111 с.

4. Ашкенази Е. К. Анизотропность древесины и древесных материалов. -М.: Лесная пр-ть, 1978. 224 с.

5. Баженов В. А., Болотов С. Г. Прочность древесных частиц и влияние на нее различных факторов// Технология древесных плит и пластиков. М., 1984.-Вып. 159.-с. 109-112.

6. Баженов В. А., Болотов С. Г. Прочность древесных частиц// Технология древесных плит и пластиков. М., 1985. - Вып. 171.-е. 107-111.

7. Басин В. Е. Адгезионная прочность. М.: Химия, 1981. - 248 с.

8. Буглай Б. М. Технология отделки древесины. М.: Лесная пр-ть, 1973. -304 с.

9. Векслер А. К. Исследование процесса проклеивания древесных стружек распыленным связующим. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1969. 25 с.

10. Волынский В. Н. Что происходит при склеивании и после// Мебельщик. 2002. - № 1 (12). - с. 46-47.

11. Гамов В. В. Экспериментально-теоретическое исследование структурно-механического упрочнения древесностружечных плит. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1969. 20 с.

12. Гамов В. В. Структурно-механические свойства ДСтП// Лесной ж-л/ Изв. ВУЗов. 1970. - №3. - с. 15-17.

13. Гамова И. А., Каменков С. Д., Тиме Н. С. Влияние поверхности древесины на свойства ДСтП// Технология древесных плит и пластиков: Меж-вуз. сб. науч. тр. Екатеринбург, 1995. - с. 63-68.

14. Гарасевич Г. И., Семеновский А. А. Формирование изделий из древес-но-клеевой композиции. М.: Лесная пр-ть, 1982. - 136 с.

15. Глебов И. Г. Дозировочно-смесительные установки производства ДСтП. Уч. пособие. Свердловск: УПИ, 1984. - 74 с.

16. Гусев Н. Ф. Движение жидкости в древесине. В кн.: Научные труды МЛТИ.Т.1.М., 1950.-48 с.

17. ГОСТ 8420-74. Материалы лакокрасочные. Методы определения условной вязкости.

18. Джейкок М. Парфит Д. Химия поверхностей раздела фаз: Пер. с англ. Гаврилова В. Ю., Фенелонова В. Б. М.: Мир, 1984. - 269 с.

19. Долгинцев А. 3. Теоретическое и экспериментальное исследование проницаемости пакета ДСтП. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1975. 22 с.

20. Дыскин И. М. Влияние формы и размеров древесных частиц на физико-механические свойства ДСтП. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1961.-21 с.

21. Жуков В. П. Прочность склеивания древесины различных пород в зависимости от расхода связующего и давления при склеивании// Лесной ж-л/ Изв. ВУЗов. 1974. - №2. - с. 99-102.

22. Жуков В. П. Технология склеивания древесины. Воронеж: 1981. -80 с.

23. Измерение массы, плотности и вязкости/ Под ред. Ю. В. Тарбеева. -М.: Изд-во стандартов, 1988. 176 с.

24. Калинина J1. С., Кастерина Т. Н. Химические методы исследования синтетических смол и пластических масс. М.: Госхим издат, 1963. — 284 с.

25. Карасев Е. И. Оборудование предприятий для производства древесных плит. М.: Лесная пр-ть, 1988. - 380 с.

26. Карасев Е. И. Развитие производства древесных плит. М.: МГУЛ, 2001.-127 с.

27. Ковальчук Л. М. Технология склеивания. М.: Лесная пр-ть, 1973. -208 с.

28. Колосовская Е. А., Лоскутов С. Ф., Чудинов Б. С. Физические основы взаимодействия древесины с водой. Новосибирск: Наука, 1989. - 214 с.

29. Кочманова Г. И., Лапшин Ю. Г. О сокращении расхода связующего и прочности склеивания древесных частиц в производстве ДСтП// Деревообрабатывающая пр-ть. 1990. - №7. - с. 15-16.

30. Леонович А. А. Физико-механические основы образования древесных плит. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003. - 192 с.

31. Макаренко В. К., Оленин В. П. Улучшение смачиваемости и пропитки текстурной бумаги пропиточными смолами// Деревообрабатывающая пр-ть. 1984. - №2. - с. 6-7.

32. Мелони Т. Современное производство древесностружечных и древесноволокнистых плит: Пер. с англ. Амалицкого А. А. и Карасева Е. И. М.: Лесная пр-ть, 1982. - 416 с.

33. Меньшикова JI. В., Калугина 3. С., Сидоровская И. П., Коротов С. Я. Диффузия канифоли в бензиновых растворах, находящихся в капиллярах древесины// Лесной ж-л/ Изв. ВУЗов. 1965. - №4. - с. 129-134.

34. Мерсов Е. Д. Исследование фракционного состава древесноволокнистой массы// Технология древесных плит и пластиков/ Межвузовский сборник. Вып. VIII. Свердловск: изд. УПИ им. С. М. Кирова, 1981. - с. 164.

35. Михайлов Н. А. Исследование влияния технологических режимов изготовления ДСтП на прочность при растяжение перпендикулярно пласти. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Воронеж, 1970. 26 с.

36. Михайличенко А. Л., Садовничий Ф. П. Древесиноведение и лесное товароведение. М.: Высшая школа, 1978. - 224 с.

37. Москвитин Н. И. Физико-химические основы процессов склеивания и прилипания. М.: Лесная пр-ть, 1974. - 192 с.

38. Мурзин В. С. Исследование смачиваемости различных пород древесины// Лесной ж-л/ Изв. ВУЗов. 1976. - №24 - с. 99-102.

39. Мурзин В. С. Влияние технологии подготовки поверхности древесины и древесных частиц на их адгезионные свойства// Научно-техническая конференция, посвященная 50-летию ВЛТИ (15-23 сентября 1980 г.): тезисы докладов. Воронеж, 1980. - с. 48.

40. Панов В. В. Исследование и разработка метода адеструктивного анализа стружечно-клеевой смеси и ее компонентов. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1973. 20 с.

41. Пильцер М. Ш. Ориентация и фракционирование древесных частиц для производства ДСтП с заданными свойствами. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1987. 18 с.

42. Поздняков А. А. Прочность и упругость композиционных древесных материалов. М.: Лесная пр-ть, 1988. - 136 с.

43. Поташов О. Е., Лапшин Ю. Г. Механика древесных плит. М.: Лесная пр-ть, 1982.- 112 с.

44. Разиньков Е. М. Древесностружечные плиты: основы структурообразо-вания. Воронеж: Изв. Воронежского ун-та, 1991. - 190 с.

45. Родионов А. И. Дискретное осмоление в производстве древесностружечных плит. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1996. -16 с.

46. Родионов А. И. Совершенствование оборудования для осмоления древесных частиц// Научные труды/ Моск. гос. ун-т леса. 1996. - №276. - с. 90-100.

47. Семеновский А. А. Исследование некоторых структурно-механических свойств древесностружечной массы. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1971. 17 с.

48. Синайский Э. Г. Гидродинамика физико-химических процессов. М.: Недра, 1997.-339 с.

49. Снопков В. Б., Соловьева Г. В., Хмызов Н. А., Якушенко Е. В. Распределение связующего по поверхности древесной стружки в производстве ДСтП// Деревообрабатывающая пр-ть. 1995. - №5. - с. 14-16.

50. Справочник по производству древесностружечных плит/ Отлев И. А., Штейнберг Ц. Б., Отлева Л. С., Бова Ю. А., Жуков Н. И., Конаш Г. И. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Лесная пр-ть, 1990. - 384 с.

51. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В., Физико-химические основы смачивания и растекания, М., 1976. 164 с.

52. Татарчук Г. М. Определение качества смешивания в смесителях ДСМ-5// Плиты и фанера. 1980. - №10. - с. 5.

53. Фрейдин А. С. Прочность и долговечность клеевых соединений. М.: Химия, 1981.-270 с.

54. Фрейдин А. С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины. М.: Лесная пр-ть, 1980. - 224 с.

55. Харук Е. В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. Новосибирск: Наука, 1976. - 190 с.

56. Химия. Справочное руководство. Пер с нем. JL: Химия, 1975. - 576 с.

57. Циквадзе В. Г. Модификация стружечно-клеевой смеси для производства ДСтП. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М., 1988. -18 с.

58. Чубинский А. Н. Формирование клеевых соединений древесины. -СПб.: Издательства С.-Петербургского ун-та, 1992. 164 с.

59. Чудинов Б. С. Вода в древесине. Новосибирск: Наука, 1984. 270 с.

60. Цфасман А. Б. Аналитический контроль в производстве карбамидных смол. М.: Лесная пр-ть, 1975. - 128 с.

61. Шварцман Г. М. Повышение прочности ДСтП. М.: Лесная пр-ть, 1977.-20 с.

62. Шварцман Г. М., Пильцер М. Ш., Черкасов Г. С. Фракционирование и ориентация древесных частиц при формировании стружечного ковра. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1972. - 32 с.

63. Шварцман Г. М., Щедро Д. А. Производство ДСтП. М.: Лесная пр-ть, 1987.-320 с.

64. Шестакова 3. Я. Исследование процесса контактирования древесных частиц при склеивании ДСтП. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Д., 1973. 19 с.

65. Эльберт А. А. Повышение водостойкости древесностружечных плит/ Обзорная информация. — М.: ВНИПИЭИ леспром, 1986. — 44 с.

66. Эльберт А. А. Химическая технология древесностружечных плит. М.: Лесная пр-ть, 1984.-224 с.

67. Эльберт А. А. Водостойкость древесностружечных плит. — М.: Лесная пр-ть, 1970.-96 с.

68. Hiemz P., Wagenfuhr R., Hansel A. Beziehungen zwischen Struktur und Ei-genschaften von Vollholz und Holzwerkstoffen. Teil 1// Holztechnologie. -1988.-№l.-s. 7-8.

69. Hansel A., Hiemz P., Wagenfuhr R. Beziehungen zwischen Struktur und Ei-genschaften von Vollholz und Holzwerkstoffen. Teil 3// Holztechnologie. -1988. №3. - s. 125-130.

70. Kiihne G., Hiemz P. Untersuchungen zur Struktur von Spanplatten. // Holztechnologie. 1980. -№3. - s. 139-144.