автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Плитные материалы на основе измельченной древесины и гипса

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи УДК 674.815

ГОФРАНИ МОХАММАД МОХАММАД - РЕЗА 1

ПЛИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ИЗМЕЛЬЧЁННОЙ ДРЕВЕСИНЫ И ГИПСА

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

специальность 05.21.05 - технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение

Научный руководитель: лауреат государственной премии, доктор технических наук, профессор Котенко В .Д.

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............................5

ВВЕДЕНИЕ....................................................7

ГЛАВА 1. ДРЕВЕСНОЕ СЫРЬЁ И МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДРЕВЕСНО-ГИПСОВЫХ ПЛИТ ........ 10

1.1. Современные технологии производства древесно-гипсовых плит....................11

1.2. Характеристика древесного сырья, исполь-

4 ; * » * -.

зуемого при производстве древесн^-типсовых плит............................................17

1.3. Гипсовые минеральные вяжущие вещества . 20

1.4. Постановка задачи исследования....... 28

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ .......... 31

2.1. Планы первого порядка............. 31

2.2. Планы второго порядка............. 36

2.3. Метод Бокса-Уилсона.............. 40

2.4. Оптимизация методом градиента........ 41

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ ВОДОГИПСОВОГО ОТНОШЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСНО-ГИПСОВЫХ ПЛИТ ............... 45

3.1. Нахождение целевой функции с использова-

нием планов первого порядка......... 45

3.2. Нахождение целевой функции с использованием планов второго порядка ......... 51

3.3. Определение оптимального водогипсового отношения методом градиента......... 53

3.4. Нахождение оптимального количества химических веществ, ускоряющих процесс гидратации гипса................. 55

3.5. Сопоставление экспериментальных результатов с расчетными........... 61

ГЛАВА 4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ДРЕВЕСНО-ГИПСОВЫХ ПЛИТ .......... 72

4.1. Теплофизические свойства............ 72

4.2. Испытания древесно-гипсовой плиты

на воспламеняемость ............. 78

4.3. Определение способности древесно-гипсовой плиты удерживать шурупы . . ........ 86

ГЛАВА 5. ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

РАБОТЫ........................ 89

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...... 92

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................... 101

Приложение 1. Программа для расчёта коэффициентов линейных уравнений регресии и проведения статистического анализа результатов................. 102

Приложение 2. Программа для расчёта коэффициентов уравнений второго порядка и проведения статистического анализа

результатов..................... 106

Приложение 3. Программа для оптимизации водогипсового отношения методом градиента . . 110

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а - напряжения, Па; а2 - дисперсия, 1; Е - модуль упругости, Па; р - плотность, кг/м3;

- влажность, %; Ь - толщина образца, м; 3 - площадь сечения, м2 ; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); с - удельная теплоёмкость, Дж/(кг-К); объёмная доля, 1; ш - массовая доля, 1; Т - температура, К; Р - давление, МПа; I - время, с; критерий Стьюдента, 1; I - линейный размер, м;

Цш - удельное сопротивление выдёргиванию шурупов, Н/м; а, в - коэффициент регрессии, 1; х - выходная величина, 1; р - уровень значимости, 1; О - критерий Кохрана, 1; Р - критерий Фишера, 1;

ППТП - лучистый тепловой поток, воздействующий на единицу

поверхности образца, кВт/м2; КППТП - минимальное значение поверхностной плотности

теплового потока,при котором возникает устойчивое пламенное горение, кВт/м2

индексы

ср - среднее значение; в - предел прочности; п - наполнитель; m -матрица; к - композит; опт - оптимум; такс - максимум; min -минимум; i, j - номер;

_L - перпендикулярно пласти; 11 - параллельно пласти

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных проблем в деревообрабатывающей промышленности является проблема утилизации отходов. Утилизация отходов в прессованные плитные материалы позволяет осуществить более глубокую и комлексную переработку древесного сырья. Среди искусственных древесных материалов в настоящее время важнейшее место занимает производство древесно-стружечных плит. Такие плиты получают путём горячего прессования специально изготовленной измельчённой древесной стружки с синтетическими связующими. Сырьём для изготовления древесно-стружечных плит служат неделовая древесина, дрова, отходы лесопиления, деревообработки, фанерной, спичечной промышленности и других деревообрабатывающих производств. Производство древесно-стружечных плит является достаточно энергоёмким технологическим процессом. Затраты энергии обусловлены прежде всего изготовлением специальной стружки, её сушкой и горячим прессованием. Поэтому в последнее время разрабатываются новые технологии утилизации древесных отходов в плитные материалы. Одной из таких новых технологий является производство плит на основе измельчённой древесины и гипса. Производство таких плит менее энергоёмко и дешевле, чем производство древесно-стружечных плит. Обусловлено это тем, что для производства древесно-гипсовых плит не требуется специально

измельчённая стружка и её сушка, а прессование плит производится в холодном прессе. Затраты энергии на сушку плит после их изготовления могут быть сведены до минимума при правильном выборе водогипсового отношения. Уступая древесностружечным плитам по механическим показателям древесно-гипсовые плиты могут найти широкое применение в строительстве в качестве половых покрытий, перегородок и для отделки стен. Одним из существенных преимуществ древесно-гипсовых плит по сравнению с древесно-стружечными плитами является их низкая теплопроводность и огнестойкость. Кроме того, эти плитные материалы являются экологически чистыми материалами. Древесно-гипсовые плиты сравнительно легко обрабатываются деревообрабатывающими инструментами (шлифуются, пилятся, строгаются, сверлятся, фрезеруются и т.п.) и обладают удовлетворительными показателями сопротивления выдёргиванию гвоздей и шурупов. Плиты хорошо склеиваются как по пласти, так и по кромкам, могут быть окрашены или отделаны различными лакокрасочными материалами, облицованы шпоном, бумагой или пластмассами. Тем не менее некоторые особенности технологических режимов изг отовления древесно-гипсовых плит и их эксплуатационные характеристики к настоящему времени изучены недостаточно. В настоящей диссертационной работе проведены исследования влияния различных технологических факторов на свойства древесно-гипсовых плит.

Вс

первой главе приводятся анализ современных технологии производства древесно-гипсовых плит, характеристика древесного сырья, свойства гипсовых минеральных вяжущих веществ и

постановка задачи исследования. Во второй главе излагаются теоретические основы экспериментальных методов исследования и оптимизации. В третьей главе приводятся результаты исследования влияния водогипсового отношения на свойства древесно-гипсовых плит. Методом градиента определено оптимальное водогипсовое отношение, а также определено оптимальное количество химических веществ, ускоряющих процесс гидратации гипса. В четвёртой главе приводятся эксплуатационные свойства древесно-гипсовых плит - физико-механические свойства, теплофизические характеристики (теплопроводность, теплоёмкость, плотность) и др. В пятой главе излагаются выводы и основные результаты работы. В приложениях приводятся ЭВМ-программы по статистической обработке результатов экспериментальных исследований и оптимизации водогипсового отношения.

Результаты данной работы могут иметь как практический, так и научный интерес. На их основе могут быть разработаны наиболее оптимальные технологические режимы прессования плитных материалов из измельчённой древесины и гипса, обеспечивающие минимальные производственные затраты.

Диссертационная работа выполнена на кафедре процессов и аппаратов деревообрабатывающих производств Московского государственного университета леса.

ГЛАВА 1. ДРЕВЕСНОЕ СЫРЬЁ И МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДРЕВЕСНО-ГИПСОВЫХ ПЛИТ

1.1. Современные технологии производства древесно-гипсовых

плит

В настоящее время разработаны технологии производства гипсовых плит , в которых в качестве наполнителя используется измельчённая древесина или бумажная макулатура.

Немецкая фирма "BISON" предлагает к поставке технологическую линию по производству гипсовых плит для строительной пр о мышленно сти [1]. Гипсовые плиты фирмы "BISON" производятся сухим методом. Сухой метод производства плит означает, что количество используемой воды лишь незначительно превышает требуемое количество воды для гидратации гипса. Производство гипсовых плит осуществляется по патенту профессора Dr. G. Kossatz, кроме того используются другие патенты на различные технологические процессы, владельцем которых является общество Fraunhofer Gesellschaft и BISON-WERKE. Сырьём для изготовления плит являются гипс и древесина. В качестве гппса применяется строительный (штукатурный) полуводный гипс (CaSo4 • 0,5 Н2О). Но могут применяться и другие марки гипса, например те, которые получают при производстве фосфорных удобрений. Древесина применяется в виде кругляка, щепы или отходов. Рекомендуется окорка. Могут

примсняться как мягкие, так и твёрдые породы древесины, а также отходы, содержащие лигноцеллюлозу.

Технологический процесс производства гипсовых плит показан на (рис. 1.1). Древесное сырьё измельчается ножевыми или стружечными станками до толщины 0,2 ч- 0,3 мм, длина стружки 10 -г 15 мм. Может использоваться также и волокнистая масса. Влажность стружки постоянно контролируется и в зависимости от её величины электронное дозирующее устройство добавляет то количество воды, которое необходимо для гидратации гипса. Кроме того, добавляется небольшое количество химикатов, регулирующих скорость (время) гидратации. Одним из ключевых моментов данной технологии является тщательное смешивание стружки, гипса и добавляемой порции воды. Порошкообразный гипс должен получать определённое количество воды, которое должно быть оптимальным для его гидратации. Получаемая смесь является достаточно сухой и может транспортироваться конвейером. При помощи обычных формовочных машин из этой смеси можно формовать однослойные и многослойные плиты. Точность процесса формования является вторым ключевым моментом данной технологии, так как этот процесс оказывает решающее значение на получение требуемых размеров плит и их свойства. Прессование осуществляется в прессе давлением до 2.5 МПа. Время прессования определяется временем гидратации гипса. После прессования плиты имеют избыточную влажность. Это необходимо для того, чтобы все частицы гипса получили достаточно воды для гидратации. После этого плиты подвергают

1 ехнологачесзсая схема прошв ©детва, древесношпсовых пиит

/ 12JJLL ï j-JJLL.

' i___ïtf L

U.J I ¡ ! i ! i l.i 1.

W"]W~1W гw

¿ár Av ¿1? A¿r

□

A

T

/Üy

//-7 A

// //A /¿-J///

lA /

Л

Ó.

í O lUs—

Á tu - J ^

Ï

ífc

VÉ

Ж IT

4-

3

T

i

O

4

Ii? fcnrá ' yi-C

1 - линия приготовления стружки; 2 - смеситель; 3 - подача воды; 4 - подача гипса 5 - формовочная машина; 6 - поддоны; 7 - тележка.

Рис. 1.1.

суипсе до остаточной влажности 3%. Сушка осуществляется при низких температурах с тем, чтобы исключить процесс регидратации гипса.

Плиты изготавливаются толщиной от 8 до 20 мм, формат плит: ширина - 1250 мм, длина - 2440 -г 3200 мм, плотность - от 900 до 1200 кг/м3.

Преимущества новых гипсовых плит в сравнении с другими известными гипсовыми плитами:

достаточно высокая прочность, которая допускает уменьшение толщины плит;

достаточно высокие показатели сопротивления выдёргиванию гвоздей и шурупов;

гладкая поверхность с двух сторон;

возможность изготовления плит большой толщины (> 28 мм);

несгораемость;

экологическая чистота;

низкие производственные затраты на изготовление плит.

Рекомендуемая область применения плит: облицовка стен, потолков, а также в качестве перегородок и покрытий пола.

Поверхности плит могут быть окрашены, отделаны синтетическими плёнками и натуральным шпоном, бумагой. Окончательная отделка плит осуществляется на отдельных пр оизв одств енных линиях.

В табл. 1.1 приведены основные характеристики гипсовых плит.

Швейцарская фирма "LITECMA S.A." предлагает к поставке комплексное оборудование для производства панелей из гипса и бумажной макулатуры [2]. Технологическая схема производства

Техножогаческая схема производства, панелей из макулатуры

1 - ленточный транспортер; 2 ■ измельчитель; 3 - вибратор; 4 - ванна смачивания; 5 - центрифуга 6 - смеситель; 7 - ленточный транспортер; 8 - вибратор; 3 - дозатор; 10 - пресс; 1! - сушильная печь; 12 - станция извлечения; 13 - отрез; 14 - упаковка; 15-тележки

Рис. 1.2

панелей представлена на рис. 1.2. Дозируемое количество гипса и бумаги: 1 часть бумаги и 6 частей гипса (масс.). Масса 1 м2 при толщине панели 10 мм составляет 12 кг.

Панели применяют как разделительные стены, для изоляции стен домов, в качестве подвесного потолка и теплоизоляции, а также при выполнении различных отделочных работ.

Основные свойства гипсокартона приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Основные свойства гипсовых плит

Характеристика Рамер-ность Гипсовая плита армирована стружкой Гипсо-картон 1 II

Плотность кг/м3 1000 1100 1200 850

Предел прочности на изгиб МПа 6-6,5 7,5-9 9-11 2,5 5-6

Модуль Юнга при изгибе МПа 3-3,5 4-4,2 4,5-5 2,5 2,0

Линейное растяжение % 0,07 0,06 0,05 0,03

Разбухание (2 часа) % 3,0 2,8 2,5 3

Удельное сопротивление выдёргиванию шурупов 1 Н/мм II 20 23 25 50 55 60 гшп 6-8

Возможность для гвоздя + + + -

1.2. Характеристика древесного сырья, используемого при производстве древесно-гипсовых плит

В качестве сырья для производства древесно-гипсовых плит может использоваться неделовая древесина, кусковые и другие отходы различных деревообрабатывающих производств, технологическая щепа из отходов лесопиления и лесозаготовок.

Неделовая древесина образуется в процессе лесозаготовок при сплошной рубке. Для производства древесно-гипсовых плит может использоваться древесина любых хвойных и лиственных пород. Применение коры не рекомендуется. В зависимости от минимального диаметра и величины внутренней гнили сырьё из неделовой древесины разделяется на три сорта. Наружная трухлявая гниль не допускается, а внутренняя ограничивается в зависимости от сорта сырья:

в I сорте не более 1/4 толщины соответствующего торца с выходом на второй торец не более 1/3 его толщины;

во II сорте не более 1/4 толщины одного торца с выходом на второй торец не более 2/3 его толщины;

в III сорте не более 2/3 толщины одного торца с выходом на второй торец не более 2/3 его толщины.

Также может использоваться тошсомерная древесина, получаемая в основном при проведении рубок ухода. Это сырьё представляет собой круглый, неокоренный, с обрубленными ветками лесоматериал. Диаметр в верхнем отрубе тонкомерной древесины хвойных пород равен 20 60 мм, лиственных - 20 ч-80 мм, длина - от 1 до 3 м с градацией 0,5 м.

Пригодны для использования в производстве древесно-гипсовых плит отходы лесопиления и фанерного производства. Кусковые отходы лесопиления в основном перерабатываются в технологическую щепу. Технологическая щепа должна удовлетворять определенным требованиям: длина щепы - 20 -г 60 мм, толщина - не более 30 мм, наличие коры - не более 15%, гнили - не более 5%, минеральных примесей ( уголь, камень, известь и др.) - не более 5%.

В одной партии может содержаться щепа хвойных и лиственных пород. Рекомендуется применять опилки хвойных или лиственных пород. Использование опилок дает значительный экономический эффект.

Отходы фанерного производства являются также источником сырья для производства древесно-гипсовых плит. Причем эти отходы наилучшим образом подготовлены для переработки на специальную резаную стружку.

На деревообрабатывающих предприятиях образуется значительное количество стружки - отходов от деревообрабатывающих станков. При производстве трехслойных древесно-стружечных плит эта стружка [3] используется для внутреннего слоя, что позволяет получать плиты с высокими значениями предела прочности при статическом изгибе. Обычно для внутреннего слоя трехслойных плит рекомендуется использовать стружку хвойных пород без ограничений, а стружку твердых лиственных пород в количестве до 30% в качестве добавки к специальной резаной стружке. Стружку - отходы от станков часто измельчают в тонкие древесные частицы для формирования наружных слоев

при изготовлении плит с мелкоструктурной поверхностью. В этом случае поверхность плит получается высокого класса шероховатости. Использование стружки - отходов от строгагельпых станков дает значительный экономический эффект [4].

В производстве древесно-гипсовых плит может использоваться и технологическая щепа из сучьев. Эта щепа имеет размеры: длину -5 -ь 50 мм, толщину - не более 30 мм [5]. В такой щепе допускается содержание коры до 20%, гнили до 3%, зелени (хвоя, листья) до 5%, минеральных примесей до 1%, содержание кондиционной щепы не менее 70%. В одной партии может содержаться щепа хвойных или лиственных пород, а также их смесь.

В качеств�