автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Оптимизированные режимы получения модифицированной древесины с заданными свойствами

На правах рукописи

ГВОЗДЕНКО СЕРГЕЙ ПЕТРОВИ

ОПТИМИЗИРОВАННЫЕ РЕЖИМЫ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.21.05 -«Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 1999

Работа выполнена в НПЦ «Восмодцрев» при Воронежской государственной лесотехтгческой академии

Научный руководитель - доктор технических наук,

старший научный сотрудник Шамаев ЕА

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Разинысов ЕМ

кандидат технических наук, доцент Кухареико С.П.

Ведущая организация: ЗАО «Элекон-строй» (г. Москва)

Защита состоится «29» июня 1999 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 064.06.01 в Воронежской государственной лесотехнической академии по адресу.

394613 г. Воронеж; ул. Тимирязева, 8, ВГЛТА

. ^ -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии Автореферат разослан «. 20» 1999 г.

Ученый секретарь дзгссертациошюго совета,

доктор технических наук, профессор В.К Курьянов

Ло

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы, Экспансия древесных материалов по все сферы народного хозяйства выз? . та неуклонно растушую потребность, прежде всего, в главных по хозяйственной значимости древесных породах, в то время как сопутствующие породы, отличающиеся высокой биологической продуктивностью, из-за сравнительно низких физико-механических свойств практически не. "используются. С этой целыо в- последнее время все большее внимание и отрасли деревообработки уделяется вопросу модифицирования древесины; главным образом мягких лиственных пород» как одному из главных путей рационального и комплексного -использования древеапсы. Однако нпфокему внедрению ме-дифицированной древесины (ДМ) 1фепятствует отсутствие банка стандартных справочных данных по ДМ и оглимгаировашгых технологий, гибких к потребительскому спросу и позволяющих получать не обезличенное сырье многоцелевого назначения, на выпуск которого действующие стандарты ориентируют отрасль, а материал с определенными :м-данными качественный! показателями! для конкретней сферы потребления ДМ. Создание таких технологий возможно за счет разработки математического аппарата, обеспечивающего решение обратной задачи оптимизации, т.е. задачи с известными значениями откликов (показателей свойств ДМ) и неизвестными входными параметрами (технологические режимы процесса модифицирования).

Таким образом, получение модифицированной древесины с зиракее заданными свойствами представляет весьма актуальную теоретическую и практическую задачу, решение которой в значительной степени способствовало бы более широкому внедрению ДМ в народное хозяйство.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Государственной научно-технической программой «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» на 1996-2000 г, которая включает в себя ряд специализированных подпрограмм в том числе «Комплексное использование древесного сырья». .

Целью настоящего исследовании является разработка оптимизированных режимов получеши модифицированной древесшш марки дес-

там (древесина стягястгаиров анная амидами), путем создания математического аппарата, позволяющего прогнозировать выпускаемую продукцию с заданными свойствами.

О 6ъ с кто м и сел с д о к а и и я является технология химико-механического модифищ фования древесины карбамидом.

Методик» и сел сл о р- а в и й. Поставленные задачи решались посредством теоретических и экспериментальных исследовашш.

Экспериментальные исследования проводились в Научно-производственном центре «Восмодцрев» при Воронежской государственной лесотехнической академии. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики с использоваштем стандартных пакетов прикладных программ для современного персонального компьютера

Научная новизна, паботы:

- предложены теоретические расчеты и регрессионная модель для диффузионной пропитки древесины осины и березы карбамидом.

- создана экспериментальная установка, интенсифицирующая процесс модифицирования древесины.

. - предложены технологические, режимы для экспериментальной установки.

- разработаны математические регрессионные модели для девяти показателей свойств ДМ.

- предложена эффективная методика решения задачи получения ДМ с задзшшми свойствами, разработаны блок-схемы и программы для ее реализации. ' .

Значимость для теории и практики. На основе результатов научных исследований предложены аналитические и регрессионная модели для определения характера распределения пропиточного агента по длине образца и продолжительности пропитки древесины карбамидом. Разработана система прогнозирования свойств ДМ на основе многокритериальной оптимизации, позволяющая находить оптимальные технодопгче-ские параметры, воссоздшощие в ДМ заданные потребителем определенные качественные показатели, и являющаяся базой для создания банка стандартных справочных данных по ДМ, в частности дестамз.

Достопдрность научных положений ir выводов кодглерадаегся адекватностью математических моделей, относительной п>.; ¡ .егтшоетыо результатов эксперимента, не превосходящей допустимое значение в деревообработке 5% и полученной эффективностью при внедрении научных разработок в производство.

Апробации работы. Основные положения дассертационной работы докладызались на Всероссийской научно-технической конференции «Рациональное использование ресурсного потенциала в шролясном комплексе» (Воронеж; 1У98); международной наушо-лрактической конкуренции «}-1а.у шо-технические проблемы в развитии ресурсососреткшш:. технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998); международной научно-практической конференции «Рациональное; использование лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1999).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из которых 3 з соавторстве, получен патент на изобретение.

OfrbCM к структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения-, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы изложен на 160 страницах машннописно-го текста, содержит 23 рисунка, 25 таблиц, 7 приложений. Список использованной' литературы включает 116 наименований, из них 9 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения дается краткая характеристика современного состояния проблемы, обоснование актуальности темы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен краткий обзор преимуществ и недостатков способов модифицирования древесины и состояния вопроса в области моделирования и оптимизации процессов деревообработки, позволивший констатировать следующее.

Достигнуты значительные успехи по модифицированию натуральной древесины. Значительный вклад в развитие науки о модифицировании древесины внесли Хухрянский ПН, Огарков Б.И, Хрулев В.М., Щ/-тов Г.М., Купчинов Б.И, Расев Д.И, Покровская.Е.Н, Модин НА., lili-

б

маев В.A, Ханов AM, Kyxnpeinco С.Г1 и др. Безусловно из множества способов модифицировать древесины по главным критериям выделяется хтигко-механическое модифицирование древесины карбамидом. Ji> сдсдовах-шямй в области оптимизации и моделирования процессов деревообработки занимались Пижурин АА.., Патякин В.И, Петровский B.C., Разиньжов ЕМ, Шубин Г. С. и др. Проблеме нахождения оптимальных режимов полугеши! продукции с заданными свойствами не удалялось особого внимания по причине сложности математтгческого аппарата и отсутствия высокоорганизованной микропроцессорной техники.

Исхода за цели работы с учетом результатов анализа проблемных исследований сформулированы следующие задачи:

- исследовать процесс пропитки древесины карбамидом;

- создать экспериментальную установку, шггенсифищфующую процесс хишосо-механического модифицирования древесины карбамидом;

- провести активный эксперимент по исследованию технологических режимов модифицирования;

- исследовать основные физико-механические и эксплуатационные свойства дестама, полученного совмещенным способом;

- получить регрессионные модели, адекватно отражающие процесс химико-механического модифицирования древесины кар б ала ¡дом;

- разработать методику получения модифицированной древесины с заданным гибором свойств на основе многокритериальной оптимизации технологических параметров;

- получить оптимизированные технологические режимы для потенциальных областей применения дестама;

- установить экономическую эффективность научных разработок.

Вгопой раздел посвящен теоретическому исследованию диффузионной пропитки древесины карбамидом. Для математического описания процесса диффузии пропиточного агента в тело слоисто-трубчатого строения, каким является древесина, использовано одномерное дифференциальное уравнение вида:

<76?

8\уз

ег ™

где - коэффициент даффузии в направлении х. Решая- дифференциальное уравнение (1) методам разделения перемеяг-ньк относительно следующих начального и граничных условии: со(х,0)--= -со0, (0<х<!) (2)

(ф, г) = 0,61(1, т)--=0 (0<*<-х) (3)

где !- длина образца, со0> - концентратом раствора .получека ттриблхжсшшя формула змда:

Д 2ох , . т

0)(х. Г) = Щ +2^ -— (СО;5 -т ~ 1) • в 1 ■ 31П — .V (4) '

Значения коэффициентов диффузии раствора карбамида в древесину вдоль волокон были найдены эксперкмапалысо: л?/сут. О^-МЧС4 М/сут (содержание карбамида в древесина определяли на количество общего азота по ГОСТ 27749.0-88), на основании которых путем преобразования получены итоговые частные решения уравнения диффузии (1); •для березы:

" '4ш0 . яг

со(х, г) = со0---.-е м Бт-—*

ТС

•для осиньс

Iх (5)

-б.мио-'-Щ'у) я

а>(х,т) = сой--~-е smJX (6)

где Т- температура раствора, К; /и- вязкость растворителя\кг/м*с]ш, 11а основе проведенных ранее исследований в облает пропитки древесины карбамидом разработаны аппроксимационные модели: для скорости капиллярной пропитки V,-4.875-1.373т+0.097тг (7)

Уг-38.881-11863т+0;871(8) для диффузионной пропитки V] -2.175-0.55т-0.041т? (9)

Уг~11.7$-2.531т+0.191* (10)

для концентрации карбамида в" древесине (С)

С—25.042-rO.263T--0.C05f' (И)

где 1//, Уг - скорости пропитки в направлениях радиальном и вдоль волокон соответственно, .\iWcyrn.; г - продолжительность пропитки, су т.

Проведенный активный полный факторный эксперимент позволил получить регрессионную модель зависимости продолжительности пропитки г от температуры раствора I (°С), концентраций раствора со (%), площади сечения образца Я (лиг) и его длины / (леи):

С-0.692« - 0.123/+0.0055 0.107/ г =-—^-— -[суг.]. (12)

где С - необходимое содержание карбамида. Проверка на адекватность полученного уравнения путем сравкешгя зкс-перименталысьхх и расчетных значений по средней ошибке и верификация моделей показали, что аналитические расчеты (5,6) и регрессионная модель (12) достаточно корректно характеризуют процесс диффузии карбамида в древесину и позволяют с погрешностью не более 5% определить, ио-первьк, распределение концентрации карбамида в древесине в зависимости от времени пропитки и расстояния-от торца заготовки, во-вторых, продолжительность пропитки карбамидом древесины мягких лиственных пород в зависимости, от требуемого содержания карбамида, размеров образца и температуры пропиточного раствора. Полученные результаты по .исследованию диффузионного механизма пропитки эффективно апробированы в промышленной технологии.

В тпеткем гшзделе представлены экспериментальные исследовании процесса получения модифицированной древесины марки дестам и ее свойств. ' •

Модифицировать древесины включает в себя следующие последовательные или совмещегшые операции: пропитку карбамидом, уплотнение пропитанной древесины, стопку и термообработку уплотненной древесины. Лимитирующей стадией процесса получения модифицированной карбамидом древесины в виде ■ брусковых заготовок является сушка и пои совмещении прессования с сушкой производительность по-

прежнему зависит от скорости дегидратации. Одгшм га атособов значительного повышения скорости обезвоживания путем использований всех действующих сил влагопереноса - градиентов влажности, температуры и избыточного давления - является вакуз-'мно-высокочастотная сушка. Созданная намя экс. .еркмеитальная установка СГЗС-2, пршщгагааяышя схема которого представлена на рис. 1, позволяв решить посттлеинук» задач>' 1штено(фикшцп: процесса модифицирования древесины при сочетании следующих способов сушки: вакууъпш-импульсного, высокочасто гаого (ТВЧ) и К01СБ' ••' птно-тгмпульсяого.

Рис. 1.'Схема сушильно-прессовой камеры СШС-2

где Ф - фильтр, Р - ресивер, ТЕ - теплоизоляционная камера, 1- рабочая камера, 2- рамс:, 3- гидроцилиндр, 4- прессовая плита, 5- стальная прокладка (электрод), 6- генератор Т'- Т, 7- гидросистема, 8- рычаг управления, 9,13,14- трубопровод, 10- холодильник, 11- вакуумный насос, 12- емкость для сбора конденсата, 15- вакуумметры, 16- нагреватель (ТЭН).

Применение ТВЧ во много раз ускоряет процесс сушки древесины и в то же время не оказывает влияния на продолжительность термообработки, величина которой остается значительной (4-8 ч). Проведенные нами исследования позволили исключить операцию термообработки за счет введения в раствор карбамида уротропина з количестве б % (по массе в отношении к карбамиду) и подкисяения раствора соляной кислотой до ■/>#=6.4-6.5. Пропитка древесины раствором карбамида, содержащим уротропин в слабокислой среде приводит к тому,' что в процессе сушки при температуре 90-120 °С уротропин реагирует с карбамидом, образуя олигомеры, которые соединяются с компонентами древе-

сипы, з результате чего уплотненная древесина приобретает формоста-бильность в среде с переменной влажностью.

Для определения технологических режимов установки С1ТК-2, при которых бы соблюдались условленные критерии качества ДМ, согласно представленной в диссертационной работе методике был поставлен ек-тивный эксперимент, на основании которого получены результаты, представленные на рис. 2.

Р1—

£ 60

50

40

30

20

10

■ /"=4-

110гтЧ

М.....

г~

К-'-

--Рк—Н-

•I \|\ '

"ГШ

40 60 £0 100

15о

140 г, мзш

"г

Г7 »*вИЛ*ЯВЯ5ЯЖ

Ш й> Щщ

ьЬ зг кЛз^

¡и.

®

к ' ЮЯК^ЭКЗп!

20 40 60 Ь0 100 120 140 г. нищ Рис. 2. Технологические режимы для СПК-2

где 1- температура в центр* бруска, 2- температура в камере, 3-давление в рабочей камере, •}- влажность дрзвеошш., 5- технологическая деформация, 6- давление в дополнительной емкости, 7- давптив в рестарт.

Разработанные технологические режимы были использованы при

исследовании осиовньк фгаико-механкческих и эксгогуатацконных

свойств дестома полученного совмещешшм способом. Установлено,

что, во-первых, свойства дестама, содержащего уротропин и получекно-го совмещенным способом, не значительно отличаются от свойств дестама, полученного по традиционной технологии, во-вторых, фгатгческие свойства, таске как объемное разбу;<а1ше при водопоглощешш, водо- и злагопоглощехше зависят, главным образо!.{, от содержавшя карбамида и термообработки, в-третьих, прочностные и эксплуатационные свойства определяются преэде всего плотностью дестема. Показатели свойств дестама аппроксимируются следующими полученными уравнашялги:

у=егм^*, %

сг„~45.78+0.17р, МПа сгы~19.47+0.Обр, МП а D~l.62r0.01p, кДж Ты~ 10.49т 0.098р, МПа Т„=-15.2б+0.032р, МПа

1 = - 0,04 + 0.0001 р' % где Уе- объемное разбухание; V- водопоглощение, <г„- предел прочности при сжатии вдоль волокон; аш- предел прочности при сжатии поперек волокон; В- ударная вязкость; Тя- торцовая твердость; Т„- твердость поперек волокон; /- истираемость; т- продолжителыюсть выдержки, сут.; р- плотность дестама, кг/м3.

Полученные экспсриметгалысые результаты дагаюй главы легли в основу построения математических моделей процесса модифицирования древесины.

Четвертый раздел посвящен построению регрессионных моделей процесса модифицировали древесины На основе изложенной в работе методике, предполагающей системный анализ объекта исследования, проведите экспертного ранжирования технолопгческих параметров и показателей свойств, постановку активного эксперимента с применением дробного В-ппана второго порядка, статистическую обработку его результатов, были получены следующие регрессионные модели для девяти показателей свойств ДМ:

Для предела прочности при сжатии вдоль волокон (МПа):

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

cr=5?.14-0.O9ps-2.98£JrO.0Q02pc+0.0056po£+0.026dl (21)

Для ударной вязкости (кДж): D~Q. 42+ 0.02ро+0.15е+ 0.02С-0.02Г-0.12? (22)

Для конечной плотности (кг/м3): р---274.4+2.75ро-Н.Обе-0,0015р^+0.012р0гЛ0.22¡? (23)

Для себестоимости (USD):

ОЗ*12-0.054ps-0.96s+0.73С+0.00608p<?+0. QOQSpoS

-0. 0(Ю5роС+ 0.015 s? +0. OOSc C-0.021С? (24)

Для объемног о разбухании (%):

Vf, --0.02£ -3.63C+1.25T-24.9т+ 0.24CJ-0.0027* + 1.5i! +

+ 0.00439zC -0.004СГ+0.0145T? (25)

Для предела прочности при сжатии поперек волокон (МПа):

а =-0.1р0+1.564£+0.0002ро-0.01 i (26)

Для твердости поперек волокон (МПа):

Гп = 0.376p0-3.83e+2.26C-0.0002p02+Q.059i-0.ld (27)

Дли торцовой твердости (МПа):

Т. -0.59р -7.82£+1.97С - 0.00054ро+0.08040с1+

0. ООбре - 0.002рС - 0.02 £ С (28)

Для истираемости (%): 1—0.12рп +0,43с: -2.19С-0.00015ро 2-0.0l£*+0.1C!+0.0002pa£ (29)

где ро -исходная плотность, кг/м3; е -степень прессования, %; С -содержание карбамида, %; Г -температура термообработки, К; т -время термообработки, ч. -

Г^оверка моделей на адекватность путем сравнения экспериментальных и расчетных значений по средней ошибке к}, проверка на эф-фективностъ по Ри- критерию, и их верификация свидетельствуют о корректности описания моделями процесса химико-механического модифи-. цирования древесины карбамидом, что дает право обосновано решать задачу получения' дестама с заданными свойствами на основе многокритериальной опта мизации.

В пятой разделе изложены основные концепции создания системы пропюз1фовшп!Я показателей свойств ДМ на основе многокритериальной оптимизации технологических параметров.

Для процедуры многокритериальной оптимизации процесса выбран метод свертки критериев к аддитивной функции W в виде взвешенной суммы частных критериев:

W^r,Ä,+V2Ä2-T ... +Г„Л„, (30)

где Г/,... F„- критерии оптимальности, Л/,... Лп- весасоответствуощего критерия.

Поскольку опер1фовакие осуществляется, главным образом, с нелинейным программировавшем и при наличии дискретно заданных переменных, то для решения задачи многокритериальной оптимизации был выбран метод сканирования, для которого разработаны блок-схема и программа, реализующие этот метод.

Разработана и обоснована методика получения модифищфованной древесины с заданными свойствами на основе многокритериальной оптимизации, основные положения которой заключается в следующем:

- выбор превалирующего показателя для той или иной области применения ДМ и его количественное определение;

- получение методом скашфования набора свойств технологических параметров, при реализации которых значение доминирующего показателя свойств соответствует заданному,

- последующая оптимизация с учетом остальных откликов.

Цглевая (аддитивная) функция с учетом проведенной экспертной

ранжировки выглядит: . "

f=0.19pk-0.18Vp-0.15I+0.125T+0.1<TBB+ + 0.09D + 0.085an- 0.075 С тах (31)

где Г- либо поперечная, либо торцовая твердость в зависимости от сферы применения дестама.

Несколько иной вид имеет целевая функция для области применения ДМ в качестве мебельных заготовок:

/=0.19рк+0.18VP+0.J 51- 0.125Т-0.1 <гвв-- 0.09D - 0.085сгп+ 0.075 С min (32)

Дчя потенциальных, областей потребления ДМ с помощью рдзрабо-тагагого математического аппарата системы прогнозирования свойств ДМ определены оптимальные значения технологических параметров

(табл. 1).

Таблица 1

Оптимальные режимы получения ДМ для различных сфер потреб-

ления

Наименование технологического параметра Оптимальные значения для следующих категорий сфер потребления ДМ

1 2 . з ! 4 5

Исходная плотность, кг/к5 650 620 650 450 | 650

Стоисиь нрессоьания, % 50 30 50 30 44

Содержание карбамида, % 8 9 К 9 11 *

Температура термообработки, К 413 433 413 393 413

Время термообработки, ч б 4 б 7 £

Примечание: 1- обезличенный полуфабрикат; 2,3,4- производство соответственно шщнного паркета, уюдгиипников скольлсения и мебели; 5- получение ДМ с минимальным объемным разбуханием.

Полученные в диссертационной работе регрессионные модели процесса модифицирования древесины, блок-схемы, программы, позволяющие находит!, оптимальные технологические параметры при варьировании показателей свойств .ДМ, являются основой для создания банка стандартных справочных данных (БССД) по ДМ и обеспечивают решение частной задачи в проблеме создания БССД, а именно, прогнозировать показатели качества ДМ при изменении технических требований.

Б шестом ппзделе приведены результаты реализации научных исследований в практику и их экономическая эффективность. Внедрением полученных оптимальных режимов в технологию штучного паркета из дестама на ЗАО «Элекон-строй» (г. Болшево, Московская обл.) за счет снижения энергозатрат и увеличения объема выпускаемой товарной продукции, вследствие сокращения продолжительности совмещенного процесса «сушка-прессование древесины», годовой экономический эффект составит 125 тыс. руб. (в ценах на январь 1999). Внедрение режима диффузионной пропитки в производство подшипников скольжения из

ДМ в НПЦ «Восмоддрев» позволит получить годовой минимальный экономический эффект в ргпмере 12 ООО руб., за с 1ет снижения процента брака продукции.

Заключение. Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Получено математтеское описание процесса диффузии карбамида в дре.песину и выведены аналитические выражения, характеризующие изменехпге концентрации пропиточного агента в древесине. На основании полученных выражешШ для древесины осины и березы экспериментально найдены значения коэффициентов диффузии карбамида в древесину.

2. На основе экспериментальных дашо.»« построены аютроксимаци-онные математические модели, характеризующие скорость как капиллярной так и диффузионной пропитки и получена регрессионная модель, позволяющая определить продолжительность пропитки древесины мягких лиственных пород карбамидом. Экспериментально подтверждена адекватность полученных аналитических и регрессионной моделей.

3. Для значительного повышения скорости обезвоживания, путем использования всех действующих сил влагонереноса - градиентов влажности, температуры и избыточного давления, создана сушильно-прессовая камера СПК-2, для которой опытным путем установлены оптимальные технологические режимы совмещенного процесса моднфилд-рования, позволяющие получить дестам высокого качества.

4. Доказана возможность 'исключить из технологического процесса операцию термообработки (4-8 ч) за счет введения в раствор карбамида б % уротропина и подкисления раствора соляной кислотой до рП-6.4-6,5.

5. Исследованы физические, прочностные и эксплуатятгошгые свойства модифицированной карбамидом с уротропином древесины, полученной совмещенным способом, а именно, объемное разбухание, во-до- и влагопоглощение, пределы прочности иа сжатие вдоль и поттерж волокон, торцовая и поперечная твердость, ударная вязкость хг износостойкость.

6. На основе системного анализа объекта исследования, экспер шо-го ранжирования и проведешюго активного эксперимента методом наи-

меньших квадратов получены регрессионные модели для девяти показателей свойств ДМ, адекватные процессу модифицирования.

7. Предложены методы по созданию системы прогнозировшгия показателей свойств-ДМ на основе многокритериальной оптимизации, разработаны алгоритмы и программы для решения задачи цолучения модифицированной древесины с заданными свойствами, являющиеся базой для создания банка стандартных справочных данных по ДМ.

8. Найдены оптимальные режимы получеггия дестама применительно для его потенциальных областей потребления, то есть для производства подшипников скольжения, паркета и мебельных заготовок. Научные разработки внедрены в производство штучного паркета и подпятников скольжения, где доказана их экономическая целесообразность.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Гвоздеико С.П Аппроксимация процесса пропитки древесины карбамидом. //Математтгческое моделирование, компыотерная оптимизация технологий, параметров оборудовашш и систем управления лесного комплекса: Сб. науч. тр. - Воронеж, 1998. - с. 28-29.

,2. Гвозденко С.П, Кочетов В.И, Шамаеа В.А. Компьютерное управление процессом модифицирования древесины на основе модуля сортировки. //Математическое моделирование, компыотерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб. науч. тр. - Воронеж, 1996. - с. 72-75.

3. Гвозденко С.П. Лабораторная установка для получения модифицированной древесины. //Рациональное использование ресурсного потенциала в агролесном комплексе: Материалы Всероссийской науч.-технич. конф. - Воронеж, 1998. - с. 126.

4. Гвозденко С.П., Мартовецкий О.Н Теоретические аспекты процесса диффузии карбашща в древесш1у. // Рациональное использование лесных ресурсов: Материалы междунар. науч.-практ. конференции. - Йошкар-Ола, 1999. - с. 75-77.

5. Гвозденко С.П Об оптимизации процесса модифицирования древеси-шл. //Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса: Материалы междунар. науч.-практ. конференции. - Воронеж, 199S. - с. 123-125.

6. Гвозденко С.П Определение продолжительности пропитки древесины карбамидом. /Л-Ьушо-техшгческие проблемы в развитии ресурсосбере-

гающпх технологий и оборудование лесного комплекса: Материалы ме-ждуняр. науч.-практ. конференщш. - Воронеж, 1998. - с. 195-196.

7. Гвозденко С.П, Шамаев В.А, Кочетов В.И. Получение модифшцгро-вшшой древесины с заданными свойствами.// Теоретические основы проектирования технологических систем и оборудования автоматизированных производств: Меж. вуз. сб. науч. тр. ГТЛ. - Воронеж, 1998. - с. 122-126.

8. Пат. № 2128113 Россия, МКИ В 27 К 3/08. Способ получения модифи- : цированной древесины. /В. А ПЬмаев, С.П. Гвозденко, АА Тоюш. - 6 с.

Просим принять участие в работе диссертационного совета или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю

ГВОЗДЕНКО СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ

ОПТИМИЗИРОВАННЫЕ РЕЖИМЫ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук



ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

академия

оптимизированные режимы получения МОДИФИЦИРОВАННОЙ древесины с заданными: свойствами

Специшшность 05.21.05 - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение

Д иссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

На. правах рукописи

Шучный руководитель -доктор технических наук, старший научный сотрудник ОЪмаев В. А.

Воронеж - 1999

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................................................

1.1. Анализ направлений совершенствования свойств древеси-

ны.........................................................................................

1.2. Анализ математических моделей в технологии деревообработки и модифицировании древесины................................... 18

1.3. Цель и задачи исследования................................................... 28

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ КАРБАМИДОМ..................................................................... 31

2.1. Теоретические аспекты процесса даффузии.. щрбямщщ, в древесину.................................................:.. ............

2.2. Аппроксимация экспериментачьньж данных процесса пропитки.................................................................................... 37

2.3. Определение продолжительности диффузионной пропитки древесины карбамидом......................................................... 38

Выводы по главе....................................................................... 43

ГЛАВА. 3. Э1ССПЕР№У1ЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ И ЕЕ СВОЙСТВ..... 44

3.1. Создание экспериментальной установки................................• 45

3.2. Методика получения технологических режимов на экспериментальной установке........................................................... 54

3.3. Методика исследования физико-механических и эксплуатационных свойств модифицированной древесины................... 59

3.4. Технологические режимы модифицирования древесины по результатам активного эксперимента.................................... 62

3.5. Физические свойства модифицированной древесины, опре» делязопще ее отношение к влаге............................................ 67

3.6. Прочностные свойства модифицированной древесины.......... 70

3.7. Эксжпуа1Шщо1Шые свойства модифицированной древесины.. 73 Вывода по главе....................................................................... 74

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ, ПРОВЕРКА ИХ АДЕКВАТНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ.......................... 77

4.1. Методика построения математических моделей.....................~

4.2. Системный анализ технологии получения модифшщрован-ной древесины как объекта многокритериальной оптимизации управления..................................................................... 84

4.3. Метод экспертных оценок в определении веса входных и выход ных данных.................................................................. §7

4.4. Математические регрессионные модели, их адекватность и эффективность...................................................................... 91

Выводы но главе....................................................................... 97

ГЛАВА 5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ НА ОСНОВЕ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ

ОПТИМИЗАЦИИ......................................................................... 99

5.1. Выбор процедуры многокритериальной оптимизации............ -

5.2. Получение модифицированной древесины с задавшими свойствами на основе многокритериальной оптимизации ^^хнолозгических параметров................................................. 101

5.3. К вопросу создания банка стандартных справочных данных.. 113 Выводы по главе....................................................................... 114

ГЛАВА 6. ВНЕДРЕНИЕ В ПРАКТИКУ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК

И ИХ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ............................. 116

-46.1. Внедрение научных разработок в производство штучного паркета на ЗАО «Элекон-строй»............................................

6.2. Внедрение научных разработок в производство подшипников скольжения в НПЦ «Восмоддрев»................................... 120

6.3. Рекомендации производству.................................................. 124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................ 126

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................. 130

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

-5-Введение

Колоссальная экспансий! древесины и получаемых из нее композитов в отрасли промышленности, строительства, транспорта и сельского хозяйства вызвана неуклонно растущую потребность в этом ценном материале. Из экологических и гуманных соображений всевозрастающая прагматичная потребность не должна удовлетворяться -только непрерывным увеличением объема лесозаготовок, вот почему, еще с начала XX века, самой актуальной остается проблема экономичного, комплексного и рационального использования древесины [46]. Эта проблема неразрывно связана, с облагораживанием древесины, основными задачами которой являются улучшение свойств древесины и создание из нее новых материалов [3].

В последнее время в отрасли деревообработки все большее внимание уделяется вопросу модифицирования древесины,' в частности, мягких лиственных пород. Это вызвано, прежде всего, тем, что изделия из модифицированной древесины, обладая высокими физико-механическими и эксплуатациошшми показателями, успешно конкурируют с изделиями из натуральной древесины твердых пород, цветных металлов, синтетических материалов и т.д. Модифицирование цельной древесины без ее разрушения позволяет сохранить и преумножить энергетические ресурсы, воплощенные природой в структуре строения растущего дерева, путем привития древесине новых качественных показателей и значительного повышения желаемых свойств. -Экономическая эффективность этого прогрессивного направления в потреблении древесины оценивается той огромной экономией деловых лесоматериалов, которая получается благодаря эффективном}' использованию малоценной древесины мягких лиственных пород.

Технологая производства модифицированной древесины (ДМ) представляет собой материалоемкий, энергоемкий и трудоемкий процесс, требующий, как следствие, больших кшшталовложений. Сложившаяся экономическая ситуация вынуждает производителей повышать эффективность действующих технологий, находить оптимальные технологические режимы, при реализации которых на уровнях близких к экстремальным способствовало бы, главным образом, снижению себестоимости или повышению качества щюдукции.

Многогранность областей применения ДМ обуславливает наличие в каждой области доминирующего показателя, к примеру в паркетном производстве со специализацией на промышленные здания превалирующим фактором является истираемость или ударная вязкость, в производстве мебельных заготовок - объемное разбухание. Это приводит к целесообразности производить не универсальный или обезличенный полуфабрикат, отличаюпщйся высокой себестоимостью, а материал с частными показателями для конкретной сферы потребления, что иными словами возникает проблема получения продукции с заданными свойствами.

Получение модифицированной древесины с заданными свойствами, в частности, в процессе химико-механической модификации карбамидом представляет весьма актуальную теоретическую и практическую задачу, решение которой в значительной степени способствовало бы более широкому внедрению дестама в народное хозяйство. Результаты исследования, посвященные вопросу разработки оптимизированных технологий получения модифицированной древесины с заданными свойствами, изложены в настоящей диссертации.

Работа выполнена по федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» на 1996-

2000 г, 'утвержденной правительством Российской Федерации. Эта программа включает в себя ряд спещиалюированных программ, в том числе подпрограмму «Комплексное использование древесного сырья».

Результаты выносимые автором на защиту:

В теоретические расчеты и регрессионная модель, характеризующие изменение концентраадаи карбамида в древесине в процессе пропиши;

В экспериментальная установка СПК-2 и ее оптимальные технологические режимы;

Л основные физико-механические и экшлуатщионные свойства дестама, полученного совмещенным: способом;

В системный анализ процесса модифицировашет и математические модели зависимости показателей свойств от технологических параметров;

В алгоритмы, программы системы прогнозирования показателей свойств ДМ на основе мнопифитериальной опжмизадии технологических параметров и оптимизированные технологические режимы производства дестама для его потенциальных областей потреб ления;

а экономическая эффективность научных разработок и рекомендации производству.

Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы изложен на 160 страницах мапшнописяого текста, содержит 23 рисунка* 25 таблиц, 7 приложений. Список использованной литературы включает 116 наименований, из них 9 на иностранных языках.

Глава 1= Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1. Анализ направлений совершенствования свойств древесины

Комплексное использование древесины предусматривает ее облагораживание, направленное на улучшения природных свойств древесины и позволяющее более ращ-гонально и эффективно использовать этот по истине ценный материал. В настоящее время; по Ланген-дорфу [56], облагораживание древесины осуществляется стедующими способами: сушкой, пропиткой, прессованием, гидротермической обработкой и облучением.

Сушка древесины представляет собой очень сложный процесс, закономерности которого определяются одновременным протеканием ряда физических явлений...[86]. Процесс дегидратации такого гигроскопического вещества, каким является древесина, можно осуществить химическими [56], мехашсческмми [72,86] и термическими (камерная [56,86,87], сушка в нагретых жидкостях [86], вакуумная [50], ТВЧ [24,50,96], СВЧ [78,103], автоклавная [54,86] и др.) способами. Причем наиболее совершенньмн считаются способы с замкнутыми системами хщркуляции сушильного агента., в которых испаряемая с поверхности древесины влага конденсируется на установленных в камере холодильниках [114].

Для пропитки древесины применяют самые различные способы в зависимости от вида и количества вещества, вводимого в древесину, от требуемого результата пропитки, а также от расположения и наличия соответствующего оборудования. Все многочисленные способы пропитки можно свести к следующим:

а) нанесение защитных средств на поверхность (распылением, кистью, окунанием) [7,46,86];

b)по1ружшие и выдержка дфшесжны в ванне с пропиточным раствором (Г1РХВ) [46,65,96];

c) диффузионная пропитка (погружение в ванны, обмазка) [46,57];,

с1) пропитка с использованием вакуума (ВАДВ) [46,57];

е) пропитка под давлением выше атмосферного (автоклавная пропитка, т&екционная прохштка) [46,57,86];

Г) комбинированная прогонка (ВДВ, ДВ, ДДВ) [46,57,86]. Заслуживают внимания и не традиционные способы пропитки: под действием центробежных сил [70,72,93], местная пропитка древесины с помощью упругого элемента [20,64], 'пропитка древесины растворами электролитов [11], пропитка древесины в электростатическом поле [90], пропитка древесины с использованием вакуума и высокого напряжения [19], пропитка древесины под действием инертного газа [111] а также способы, в которых процессы пропитки и сушки совмещены и реализуются в сухдильно-прошгточных вакуумных камерах [22], в автоклавах [88,28], в герметичных установках на основе центрифуг [99] и т.д.

Под действием внешнего давления снижается объем пор в древесине, вследствие чего увеличивается ее плотность. В зависимости от направления сжатия все существующие способы прессования делятся на следующие группы: одноосное, где заготовки угшотняются в пресс-формах или без пресс-форм с применением, многоэтажных прессов [92], двухосное [92], контурное, применяемое, главным образом, для получения втулок [35,92], всестороннее или и-щростатиче-ское сжатие в жидкостях [84], прокатка и прессование пульсирующим давлением [52,53]. Последние два способа с точки зрения производительности и автоматизации, являются наиболее совершенными, одна-

ко на уровне исследований настоящего времени они тете неэффективны, вследствие низкой конкурентоспособности но сравнению с гидравлическими прессами. Реже для прессования древесины используются способы: уплотнение заготовок в процессе их вращения между двумя подвижными поверхностями [8], уплотнение вдоль волокон [92], самопрессовшше [4/17] и др. В ряде случаев целесообразно процесс прессования осуществлять не одностадийным, а совмещать с процессами сушки и пропитки. Так при получении лигнамона операции сушки и прессования пропитанной древесины проводились в одном агрегате, однако продолжитепшость процесса в этом случае составляла несколько десятков часов [10,84]. Наиболее эффективным способом, совмещающим все операции, является способ, основанный на действии центробежных сил [99], т.е. с использованием центрифуг. Использование центробежных сил позволяет не только увеличивать, но и снижать плотность древесины, путем увеличения объема древесины за счет перевода древесины в сверхнабухшее состояние и последующего растяжения ее поперек волокон во взаимно пфпендику-лярных направлениях [99].

Облагораживание древесины гидротермической обработкой-применяется для снятия внутренних напряжений при сушки и для снижения модуля упругости в качестве пластифицирующего эффекта, в модифицировании древесины [56,86].

Основным действием радиоактивного излучения на древесину является снижение степени полимеризации целлюлозы и вначале приводит к снижению прочности на растяжение, а при дозах 1 Мрад все показатели про !ш ости снижаются [48].

Сочетание вьплеописш-тых способов облагораживания древесины привело к появлению одному из главных путей ращюналыюго и

комплексного использования древесины - модифицирования. Целенаправленное применение различных способов модифицирования древесины позволяет не только более полно использовать ее свойства, но и получать новые материалы с более высокими показателями. Существуют следующие основные способы модифхщирования древесины (ГОСТ 24329-80).

1. Термомеханическое модифицирование с предвфительным пропгфиванием [92], при котором древесину любой влажности пропаривают затем прессуют и подвергают сушке до влажности 6-8 % после чего охлаждают,

2. Термомеханическое модафицирование с преда^ительным нагревом [66], при котором древесину в пресс-формах подвергают предварительной подпрессовке на. 10 %, нагревают, окончательно прессуют на заданную степень, проводят термообработку и охлаждают.

3. Термохимическое [65,84] и радаацио1шо-химическое модифицирование [48] осуществляется путем пропитки древесины пропиточным веществом (мономерами, олигомерами или смолами) с последующим его отверждением при повышенной температуре или под действием радиационного излучения (полимеризацией или поликонденсацией).

4. Химическое модифицировшше аммиаком, уксусным ангидридом или вагонами, шмшяющими тонкую структуру клеточных стенок и химический состав древесины [84,106], технологический процесс которого состоит из следующих основных операций: химическая обработка древесины при вакууме в автоклаве, удаление химически несвязанного аммиака из древесины и автоклава, и утилизация удаленного аммиака.

5. Химико-механическое модифицирование аммиаком [25] включает следующие последовательные операции; обработку древе-

л а к* г 'x

сины аммиаком при вакууме в герметичном лресс-автокшве, уплотнение, сушку при вакууме и охлаждение.

6. Хцшжо-мехаштческое модифицирование карбамидом [99, 100]. Получение «дестама» (древесина, стабилизированная амидами) складывается, в основном, из ряда последовательных или совмещенных операций; пропитки в растворе или в расплаве карбамида, сушки, ушютнения, термообработки и охлаждения.

За последнее время разработано огромное количество способов модифицировения древесины, отличающихся от традиционных некоторыми нюансами процесса, но в общем состоящих из тех же основных операций; прогшши, сушки, прессования. Рассмотрим некоторою часть способов: обработка древесины мочевиной, уплотнение вначале в аксиальном, воздействием пульсирующей нагрузкой, затем статическим нагружением в радиальном, после чего в тангенциальном направлениях [21]; пропитка заготовок карбамидом, сушка токами высокой частоты в вакууме с одновременным уплотнением [16]; обработка древесины газообразным аммиаком до насыщения, ацети-лирование в течение 20-40 мин., и уплотнение в пресс-формах [14]; пропитка древесины формальдегидным меяамином в условиях, при которых полимеризация остается незначительной, прессование в горячих прессах со скоростями, не позволяющими тепловой энергии воздействовать на процесс полимеризации формальдегидкого мела-мина до окончательной стадии сушки древесины [110] и т.д.

Модифицирование древесины, как правило, направлено на решение ряда задач;

* прид�