автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Производство древесноволокнистых плит с пониженной пожарной опасностью

На правах рукописи

Антонов Александр Викторович

ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ плит С ПОНИЖЕННОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТЬЮ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 АПР 2013

Красноярск - 2013

005051607

/

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Сибирский государственный технологический университет" на кафедре «Машины и аппараты промышленных технологий», г. Красноярск

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

заслуженный работник высшей школы РФ Алашкевич Юрий Давидович Официальные оппоненты:

Бурындин Виктор Гаврилович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», заведующий кафедрой технологии переработки пластических масс

Рубинская Анастасия Владиславовна - кандидат технических наук, доцент, Лесосибирский филиал ФГБОУ ВПО "Сибирский государственный технологический университет", кафедра лесоинженерного дела

Ведущая организация: Сыктывкарский лесной институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова»

Защита диссертации состоится « 26 » апреля 2013 года в 10.00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82, ауд. Ц-110 (зал заседаний).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира,82, Сибирский государственный технологический университет, ученому секретарю.

Е-таП: dissovetsibgtu01@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Исаева Елена Владимировна

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Социально-экономическое развитие, стимулируемое ростом численности населения планеты, сопровождается обострением негативных проблем, лежащих в сфере экологии и безопасности жизнедеятельности. Особую остроту приобретают пожары. Если лесные пожары лишь отчасти являются следствием антропогенной деятельности, то пожары зданий, сооружений и транспортных средств, как правило, связаны с человеческим фактором и сопровождаются гибелью людей.

Необходимость соблюдения требований по пожарной безопасности при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов обусловило появление ряда разработок по огнезащите материалов и конструкций путем нанесения на их поверхность огнезащитных средств, базирующихся в большинстве на известных антипиренах с варьируемым соотношением и целевыми добавками. Имеются и технические решения по изготовлению огнезащищенных материалов с введением антипиренов в структуру материала в технологическом процессе производства.

Вместе с тем разработки огнезащищенных древесных материалов в широких промышленных масштабах остаются нереализованными, что связано, в том числе, с недостаточной эффективностью известных технических решений. Проблема охватывает вопросы взаимодействия антипирена с древесным веществом, с синтетическими смолами, включает технологические аспекты огнезащиты, соответствия материала физико — механическим требованиям и требованиям по пожарной безопасности.

Таким образом, подтверждается необходимость проведения научных и практических работ в области подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов и минеральных добавок в технологии получения древесноволокнистых плит (ДВП) с целью снижения пожарной опасности готовой продукции.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка научных основ получения и подготовки волокнистых материалов в производстве ДВП со сниженной пожарной опасностью. Для реализации поставленной цели необходимо решить ряд задач:

- исследовать и обосновать необходимость использования вспученного вермикулита в древесноволокнистой композиции для получения готовой продукции со сниженной пожарной опасностью;

- изучить влияние фракционного состава и массовой доли вспученного вермикулита в древесноволокнистой композиции на параметры пожарной опасности готовой продукции;

- определить параметры пожарной опасности древесноволокнистых плит, изготовленных мокрым способом, с добавлением вспученного вермикулита;

- изучить влияние параметров размола волокнистого полуфабриката на физико-механические свойства ДВП со сниженной пожарной опасностью;

- установить основные закономерности процесса производства ДВП мокрым способом с пониженной пожарной опасностью;

- разработать состав древесноволокнистой композиции для получения ДВП мокрым способом с пониженной пожарной опасностью;

- предложить технологию производства ДВП мокрым способом с пониженной пожарной опасностью.

Объект исследований - производство древесноволокнистых плит мокрым способом.

Предмет исследований - явления и закономерности процесса производства ДВП со сниженной пожарной опасностью.

Научная новизна.

1. Впервые научно обоснована возможность получения ДВП мокрым способом с пониженной пожарной опасностью.

2. Впервые найдены математические модели, позволяющие определить физико-механические характеристики и параметры пожарной опасности готовых древесноволокнистых плит с учетом введения вспученного вермикулита в состав основной композиции.

3. Впервые найдены и установлены технологические параметры процесса размола волокнистого полуфабриката и конструктивные характеристики размалывающих установок для получения древесноволокнистого полуфабриката с такими качественными параметрами, которые позволяют вводить в композицию вспученный вермикулит установленного фракционного состава с сохранением требуемых физико-механических свойств и снижением пожарной опасности готовой продукции.

Практическая значимость. Результаты исследований позволили предложить композицию для производства ДВП со сниженной пожарной опасностью, а также технологию производства данного вида продукции.

Результаты исследований нашли применение в практике работы цеха ДВП ОАО «Лесосибирский ЛДК №1», что подтверждено актами внедрения.

Автор защищает способ снижения пожарной опасности ДВП, произведенных мокрым способом; композицию для получения ДВП с пониженной пожарной опасностью и технологию производств.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п. 14 - Химия и технология древесноволокнистых, древесностружечных плит и пластиков, модификация древесины).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих международных научно-практических конференциях: «Наука и современ-ность-2010» (Новосибирск, 2010); «Древесные плиты: теория и практика»

(Санкт-Петербург, 2011); «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» («ЭПАХПП-2011») (Воронеж, 2011) и всероссийских научно-практических конференциях: «Химико-лесной комплекс -проблемы и решения» (Красноярск, 2012); «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК, имеется решение о выдаче патента на изобретение Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 114 наименований. Объем работы составляет 128 страниц машинописного текста, содержит 36 иллюстраций и 16 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении представлено обоснование актуальности исследований в области подготовки древесноволокнистого полуфабриката с учетом введения в композицию неволокнистых компонентов для получения готовой продукции со сниженной пожарной опасностью.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ в области производства древесноволокнистых плит специального назначения, в том числе в производстве древесноволокнистых плит со сниженной пожарной опасностью. Показаны преимущества и недостатки существующих способов придания древесноволокнистым плитам специальных свойств.

Проанализированы теоретические и экспериментальные исследования по использованию минеральных добавок в производстве древесных плит. В результате был выявлен единичный случай применения вермикулита в плитном производстве с целью снижения пожарной опасности готовой продукции — древесностружечной плиты (ДСтП). Однако при производстве ДСтП основную роль в формировании свойств плиты играет связующее, в то же время при производстве ДВП большее значение имеют процессы подготовки полуфабрикатов, от качества и степени размола волокнистого полуфабриката зависят процессы отлива и обезвоживания ковра, процессы прессования и тер-мовлагообработки плит и, соответственно, качественные показатели готовых плит.

В связи с этим очевидна актуальность настоящих исследований, посвященных разработке рациональных технологических схем размола волокнистого полуфабриката и увеличения производительности существующего оборудования в производстве ДВП с получением высококачественной готовой продукции с пониженной пожарной опасностью.

Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы о структуре дре-весноплитных материалов, высказаны предположения о влиянии введения неволокнистых компонентов на свойства плит. Представлены соображения о

б

снижении негативного влияния вспученного вермикулита на прочностные свойства ДВП с целью получения готовой продукции с заданными специальными свойствами.

В соответствии с теорией математической статистики была составлена программа экспериментальных исследований для подтверждения высказанных предположений, состоящая из восьми разделов. В качестве основного метода получения математического описания исследуемых процессов были приняты активные многофакторные исследования. Математическая модель была получена методом наименьших квадратов, который, по нашему мнению, наилучшим образом подходит для описания исследуемых процессов.

В работе были спланированы однофакторные эксперименты по определению влияния массовой доли вспученного вермикулита различного фракционного состава в древесноволокнистой композиции на физико-механические характеристики и параметры пожарной опасности ДВП. Для однофакторного эксперимента были выбраны: массовая доля вспученного вермикулита (сое), фракционный состав вспученного вермикулита (Еге).

Для реализации следующего этапа исследований были спланированы трёхфакторные эксперименты с целью определения влияния конструктивных параметров размалывающих машин, технологических параметров размола волокнистого полуфабриката и количественного содержания минерала на свойства готовых древесноволокнистых плит со сниженной пожарной опасностью. В качестве входных параметров (управляемых факторов) для трех-факторного эксперимента были выбраны: износ сегментов размалывающей гарнитуры (£/й); зазор между дисками (г); скорость вращения нижнего шнека дефибратора («); концентрация древесноволокнистой массы перед рафинато-ром (с); массовая доля вспученного вермикулита (ш„). В качестве выходных параметров (контролируемых факторов) трехфакторного эксперимента были выбраны: потеря массы образца (Ат)\ время достижения максимальной температуры газообразных продуктов горения (г); прочность (<т„зг); водопоглоще-ние (5); толщина (Ь).

В результате реализации однофакторных экспериментов были получены уравнения регрессии с нормализованными обозначениями факторов, отражающие влияние каждого исследуемого фактора на выходные величины в отдельности, без учета парных взаимодействий факторов друг на друга и на выходную величину.

В результате реализации трёхфакторных экспериментов были получены математические модели с нормализованными обозначениями факторов, отражающие влияние каждого исследуемого фактора на выходные величины в отдельности с учетом парных взаимодействий факторов друг на друга и на выходную величину.

Все уравнения регрессии были проверены на адекватность. По моделям с нормализованными значениями факторов проведен статистический анализ,

значений аюг = 33 МПа). Однако при значении массовой доли вермикулита сов = 25 % физико-механические показатели ДВП ещё соответствуют значениям, допускаемым ГОСТ4598-86, а параметры пожарной опасности принимают такие значения, что согласно ГОСТ 12.1.044-89 плиты можно будет отнести к трудновоспламеняемым.

Таким образом, для проведения второго раздела однофакторных экспериментов по определению зависимости потери массы образца Ат и времени достижения максимальной температуры газообразных продуктов горения т, а также прочности ашг, водопоглощения за 24 ч 5 и толщины древесноволокнистых плит Ь от фракционного состава вермикулита Рг„ значение величины массовой доли минерала было принято сов = 25 %. После обработки результатов экспериментов в пакете программ БТАТКТИСА 5.0 были получены следующие регрессионные зависимости:

Ат = 65,36 + 43,5Ш-в-21,79^гД

г = 5,17-3,837%-5,98/% атг = 44,58 - 51,4Ггв + 38,3Ргв 5 = 5,13- 36,03/%,- \2,1Ргв2,

(6)

(7)

(8) (9)

Ъ = 2,74 -1,14/-Ув - 1,09Ргв2. (10)

По полученным уравнениям были построены графические зависимости (рисунки 2а и 26) с целью получения более наглядного представления о влиянии фракционного состава вермикулита на интересующие нас свойства древесноволокнистых плит.

■ 70

<7,31 Па

.9, % Ь, мм

0

-А-

0,1 ж 0.2 4 ойзг

а - зависимости параметров пожарной б - зависимости физико-механических

опасности ДВП показателей ДВП

Рисунок 2 - Зависимости параметров пожарной опасности и физико-механических показателей ДВП от фракционного состава вермикулита

Анализ графических зависимостей на рисунках 2а и 26 показал следующее. Во-первых, увеличение размеров фракций вспученного вермикулита крайне отрицательно сказывается на значениях величины т - времени достижения максимальной температуры газообразных продуктов горения, при одном и том же значении массовой доли сов = 25 %. Во-вторых, величина потери массы образца также ухудшается при увеличении размеров частиц вермику-

лита. При этом значения прочности плиты и величины водопоглощения с увеличением размеров фракций минерала также ухудшаются.

На наш взгляд, это объясняется неравномерным распределением сравнительно крупных частиц минерала в объеме плиты. Крупные фракции минерала попадают между армирующими структуру плиты волокнами, не образуя с ними адгезионных связей, скопление частиц минерала между слоями ДВП снижает ее прочность. Неравномерно распределенные в массе плиты частицы минерала также не могут обеспечить защиту волокон от воздействия пламени. Мелкие частицы минерала — с размером от 0,1 мм и менее — достаточно равномерно распределяются по всему объему древесноволокнистой плиты, в процессе прессования как бы внедряются в волокно, тем самым не нарушая структуру ДВП. Именно это, на наш взгляд, объясняет удовлетворительные значения прочности и водопоглощения с одновременным снижением пожарной опасности готовых плит.

Целью проведения многофакторных экспериментов являлось установление зависимости физико-механических свойств и параметров пожарной опасности древесноволокнистых плит, изготовленных с добавлением вермикулита от конструктивных характеристик размалывающих машин и технологических параметров процесса размола волокнистого полуфабриката.

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения, описывающие необходимые зависимости. Все приведенные ниже математические зависимости представляют собой уравнения регрессии с нормализованными обозначениями факторов.

Регрессионные зависимости, описывающие влияние массовой доли вспученного вермикулита, технологических параметров размола волокнистого полуфабриката и конструктивных характеристик дефибратора на физико-механические свойства и параметры пожарной опасности готовой продукции будут иметь вид:

Ат= 114,19-1,551Л- 71,4 г -0,6 п -1,66 сов + 0,081Л2 + 0,01 т2 + (11) + 6,5 Ь/кг + 0,02 псое\

г = 22,18 + 0,8 Ш- 49,5 л - 10,8 п+ 1,6 сов + 0,011/й2 - 6 г2 + 0,32 и2 - (12) - 0,03 со2 + 0,95 1Ла-0,1 Ыгп + 0,011Лсов + 0,15 гп - 0,02 псов;

аизг = 28,2 + 0,081/72 + 31,7г - 1,6п + 0,07 сов + 16г2 - 0,04 п2 + (13)

+ 1,91Лг - 2,35 гсов + 0,012 псое\

5= 7,03 + 1,761/7? + 25г + 0,4 п + 0,44 сов - 0,\1Л2 - 13,2г2 - 0,4 ЬЛгг + (14) + 0,021Лп - 0,03 Ь/Ише + 2,82 гп - 0,5гсов - 0,02 псое\

Ъ = 2,66 - 0,121/7г - 30,8г - 1,6п- 0,15сов + 13,2г2 + 0,06 п2 + 0,7 Ш 2.

(15)

л, об/мин

п, об/мин

п, об/мин

Рисунок 4 - Зависимость времени достижения максимальной температуры газообразных продуктов горения от технологических параметров размола волокнистого полуфабриката и конструктивных характеристик дефибратора

п, об/мин

л, об/мин

п, об/мин

а-со„ ~ 10% 6-ю, = 30% в-а>, = 50%

Рисунок 5 - Зависимость прочности ДВП от технологических параметров размола волокнистого полуфабриката и конструктивных характеристик де-

фибратора

Регрессионные зависимости, описывающие влияние массовой доли вспученного вермикулита, технологических параметров размола волокнистого полуфабриката и конструктивных характеристик рафинатора на физико-механические свойства и параметры пожарной опасности готовой продукции будут иметь вид:

Ат = 56,46 - 1,441/%+ 12,3г - 73,8с - 0,97 т, + 0,111Л1 - 12,4с2 + (16)

+ 0,01 со2 + 2,651Л г + 0,0\1Лсов - Збг с + 0,3гсое+ 0,14 ссов;

г = 4,39 + 0,491Л- 0,6 2 + 4,3 с + 0,11 сов + 0,013Ь/к2 + 0,003 сод2 - (17)

- 0,3151Л с -0,08 ссов.

атг = 45,05 + 0,581/Ь - Збг + 5,82с - 0,27сое - 60г2 + 0,92с2 + 0,002«/- (18) -\,бШг + 0,2\ Шс- 0,01£/7г сов+ 0,52 г сов- 0,01 ссов\

2,25 + 1,071Л + 6,8г + 8,3 с + 0,46 а>в - 0,085£/7г2 - 10,42* - (19)

- 0,8 с2 + 0,002со2-0,104ссов\

Ь= 10,8 — 0,12Ь/Ъ — 6,842 —4,14с — 0,06со„ + 13,2г2 + 0,64 с2 + (20)

+ 0,001 со2+ 0,72.

Анализ математических зависимостей показывает, что наибольшее влияние на параметры пожарной опасности, уравнения (16) и (17), древесноволокнистой плиты со вспученным вермикулитом оказывает концентрация массы перед рафинатором, второй по оказываемому влиянию - зазор между дисками рафинатора. Графики на рисунке 7 позволяют оценить влияние концентрации массы перед рафинатором и зазора между размалывающими дисками рафинатора на потерю массы образца и время достижения максимальной температуры газообразных продуктов горения. Как видно, повышение концентрации массы перед рафинатором способствует улучшению параметров пожарной опасности (Ат, % и т, мин) древесноволокнистых плит.

Графики, наглядно демонстрирующие зависимости, описанные уравнениями (18) - (20), представлены на рисунках 8,9, 10.

Анализ графиков и уравнений показал следующее. Наибольшее влияние на прочность древесноволокнистых плит с пониженной пожарной опасностью оказывает зазор между размалывающими дисками. Характер этого влияния несколько меняется в зависимости от износа сегментов гарнитуры (рисунок 8).

Концентрация массы перед рафинатором имеет наибольшее влияние на значение водопоглощения плит. Увеличение массовой доли вермикулита ухудшает значение водопоглощения независимо от варьирования других факторов (рисунок 9).

г.

Рисунок 7 - Зависимость параметров пожарной опасности ДВП от технологических параметров размола волокнистого полуфабриката и конструктивных характеристик рафинатора

Ш = 2 Ук = 6 УИ = Ю

Рисунок 8 - Зависимость прочности ДВП от технологических параметров размола волокнистого полуфабриката и конструктивных характеристик рафинатора

Как видно из рисунка 10, снижению толщины готовой плиты (при росте величины износа сегментов размалывающей гарнитуры) способствует уменьшение зазора между дисками рафинатора даже при увеличении массовой доли вермикулита в древесноволокнистой композиции.

Исследования показали, что при известных значениях конструктивных параметров размалывающих установок и технологических режимах процесса размола волокнистого полуфабриката, варьируя значения массовой доли вспученного вермикулита в древесноволокнистой композиции, возможно снизить пожарную опасность плит, изготовленных из нее по ГОСТ 12.1.04489, до уровня трудновоспламеняемых.

В четвертой главе представлена практическая реализация результатов работы. На основании результатов экспериментальных исследований в четвертой главе диссертационной работы были определены оптимальные технологические и конструктивные параметры процесса размола волокнистого полуфабриката в производстве древесноволокнистых плит с пониженной пожарной опасностью.

Разработана композиция, включающая древесноволокнистую массу, гидрофобную эмульсию, содержащую нефтяные парафины и осадитель -серную кислоту, дополнительно содержащая вспученный вермикулит в определенных соотношениях массовых долей.

Предложена технология для производства древесноволокнистых плит с пониженной пожарной опасностью, включающая: прием, складирование и подготовку древесного сырья, получение древесной щепы и древесных волокон, прием и складирование химикатов и вспученного вермикулита, приготовление гидрофобных составов, участок введения химикатов и вспученного вермикулита, формирование ковра, разрезку ковра, горячее прессование, термообработку и увлажнение плит, форматную резку и складирование.

Выполнена оценка экономической эффективности производства древесноволокнистых плит с пониженной пожарной опасностью: сумма капитальных вложений составит 1598,48 тыс. руб.; себестоимость 1м2 ДВП с пониженной пожарной опасностью - 22,82 руб. Предполагаемая прибыль предприятия при выпуске 1 млн. шт. ДВП с пониженной пожарной опасностью составит 1680 тыс. руб. в год, при сроке окупаемости около 1-го года и экономической эффективности капитальных вложений 1,05.

Выводы по диссертации

В результате проведенных экспериментальных исследований были получены следующие результаты:

1. На базе экспериментальных исследований разработаны математические модели, адекватно описывающие процесс получения древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве ДВП пониженной пожарной опасности.

2. Анализ полученных математических зависимостей позволил определить оптимальные по различным критериям технологические режимы, при-

менение которых приводит к получению ДВП пониженной пожарной опасности с необходимыми физико-механическими свойствами.

3. На основании результатов исследований была разработана композиция для получения ДВП мокрым способом с пониженной пожарной опасностью.

4. На основании анализа исследований в области производства ДВП специального назначения была необходимость использования вспученного вермикулита в древесноволокнистой композиции для получения готовой продукции со сниженной пожарной опасностью.

5. По результатам предварительного эксперимента было изучено влияние фракционного состава и массовой доли вспученного вермикулита в древесноволокнистой композиции на параметры пожарной опасности готовой продукции.

6. Предложена технология для производства ДВП пониженной пожарной опасности.

7. Выполнена оценка экономической эффективности производства плит пониженной пожарной опасности.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Статьи в журналах перечня ВАК:

1 Антонов. A.B. Получение огнезащищенных древесноволокнистых плит Z A.B. Антонов, H.A. Петрушева, Ю.Д. Алашкевич II Лесной журнал. -2012. - № 4. - С. 99-104, автора 0,19 п.л.

2 Влияние технологических и конструктивных параметров размола на свойства трудновоспламеняемых древесноволокнистых плит Z A.B. Антонов. H.A. Петрушева, А.П. Чижов, Ю.Д. Алашкевич ZZ Химия растительного сырья. - 2012. - №4. - С. 215-219, автора 0,09 п.л.

3 Размол древесноволокнистых полуфабрикатов при производстве трудновоспламеняемых древесноволокнистых плит Z A.B. Антонов. H.A. Петрушева, А.П. Чижов, Ю.Д. Алашкевич Н Химия растительного сырья. - 2012. - №4. - С. 221-224, автора 0,08 п.л.

Материалы конференций:

4 Антонов. A.B. О прочности древесноволокнистых плит со специальными свойствами Z A.B. Антонов, Ю.Д. Алашкевич, H.A. Петрушева ZZ Наука и современность - 2012: сб. ст. по материалам VII междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2010. - С. 11-15, автора 0,16 п.л.

5 Получение древесноволокнистых плит специального назначения с использованием вермикулита Z A.B. Антонов. Ю.Д. Алашкевич, H.A. Петрушева, А.П. Чижов II Древесные плиты: теория и практика: сб. ст. по материалам XIV междунар. науч.-практ. конф. - СПб., 2011. - С. 71-73, автора 0,06 п.л.

6 Получение древесноволокнистых плит с огнезащитными свойствами Z A.B. Антонов. Ю.Д. Алашкевич, H.A. Петрушева, А.П. Чижов II Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: сб. ст.

по материалам междунар. науч.-техн. интернет-конф. - Воронеж, 2011. - С.

21-25, автора 0,09 п.л.

7 Возможность получения древесноволокнистых плит со специальными свойствами / A.B. Антонов. Ю.Д. Алашкевич, H.A. Петрушева, А.П. Чижов // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. по материалам всерос. науч.-практ. конф.- Красноярск: СибГТУ, 2011. - Т. 1. - С. 202-204, автора 0,06 п.л.

8 Использование вермикулита в производстве древесноволокнистых плит / A.B. Антонов, H.A. Петрушева, А.П. Чижов, К.О. Ярошенко, Л.М. Му-хамедшина // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. по материалам всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Красноярск: СибГТУ, 2011. - Т. 2. - С. 62-64, автора 0,06 п.л.

9 Математическая модель получения ДВП со специальными свойствами / A.B. Антонов. Ю.Д. Алашкевич, H.A. Петрушева, А.П. Чижов // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: сб. материалов V всерос. конф. с междунар. участием. - Барнаул, 2012. - С. 427-429, автора 0,08 п.л.

10 Обоснование использования вермикулита в производстве ДВП со специальными свойствами / A.B. Антонов. Ю.Д. Алашкевич, H.A. Петрушева, А.П. Чижов // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: сб. материалов V всерос. конф. с междунар. участием. - Барнаул, 2012. - С. 429-432, автора 0,06 п.л.

11 Антонов. A.B. Производство древесноволокнистых плит со сниженными свойствами пожарной опасности / A.B. Антонов, Ю.Д. Алашкевич, H.A. Петрушева // Лесной и химический комплексы-проблемы и решения: сб. ст. по материалам всерос. науч.-практ. конф - Красноярск: СибГТУ, 2012. - Т. 2. - С. 124-129, автора 0,19 п.л.

12 Антонов. A.B. Применение вспученного вермикулита для снижения пожарной опасности ДВП при изготовлении мокрым способом / A.B. Антонов // Молодые учёные в решении актуальных проблем безопасности: сб. материалов науч.-практ. конф. - Железногорск: СИПБ МЧС России, 2012. - С.

22-24, автора 0,19 п.л.

13 Производство ДВП с приданием им свойств биостойкости и огнестойкости / A.B. Антонов, A.A. Богуш, Н.Г. Чистова, Ю.Д. Алашкевич; Лесо-сибирский филиал Сибирского государственного технологического университета. - Лесосибирск, 2009. - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.06.09, № 385-В, автора 0,38 п.л.

14 Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка 2011146843/13(070231) Российская Федерация, МПК В 27 N 3/12. Композиция для получения огнезащищенных древесноволокнистых плит / A.B. Антонов, H.A. Петрушева, Н.Г. Чистова, А.П. Чижов, Ю.Д. Алашкевич, И.А. Финк.; заявитель СибГТУ.

Сдано в производство 21 марта 2013 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. № 5/2. Заказ № 1671. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82 Факс (391) 211-97-25 Тел. (391) 227-69-90

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

04201357540 На правах рукописи

Антонов Александр Викторович

ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ С ПОНИЖЕННОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТЬЮ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор заслуженный работник высшей школы РФ Алашкевич Юрий Давыдович

Красноярск - 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ.....6

1.1. Основные представления о процессе приготовления

древесноволокнистых полуфабрикатов в размалывающих машинах ... 8

1.2. современное состояние вопроса получения ДВП со специальными свойствами........................................................................................................18

1.2.1. Биостойкие древесноволокнистые плиты..........................................19

1.2.2. Водостойкие древесноволокнистые плиты........................................20

1.2.3. Ударопрочные древесноволокнистые плиты.....................................22

1.2.4. Огнезащищенные древесноволокнистые плиты................................23

1.3. Выводы. Постановка цели и задач исследований..............................30

2. ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................33

2.1. Теоретические взгляды на структурообразование ДВП....................33

2.2. Выбор основных направлений и методов исследования..................35

2.3. Выбор основных характеристик моделей.............................................44

2.4. Планирование экспериментов. Выбор основных характеристик моделей...............................................................................................................45

2.5. Математическое описание процесса производства ДВП мокрым способом с пониженной пожарной опасностью.......................................51

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.................................................................55

3.1. Промышленные и лабораторные установки для проведения исследований....................................................................................................56

3.2. Сырье и материалы....................................................................................61

3.3. Определение размерных, физико-механических характеристик и параметров пожарной опасности готовых ДВП........................................63

3.4. Последовательность проведения экспериментов..............................65

3.5. Результаты экспериментальных исследований..................................67

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ...................92

4.1. Определение оптимальных условий проведения процесса размола при производстве древесноволокнистых плит мокрым способом с пониженной пожарной опасностью.............................................................93

4.2. Разработка композиции для производства древесноволокнистых плит мокрым способом с пониженной пожарной опасностью..............96

4.3. Модернизация технологического процесса производства

древесноволокнистых плит мокрым способом с пониженной пожарной

опасностью........................................................................................................98

4.4. Оценка экономической эффективности производства ДВП пониженной пожарной опасности..............................................................102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................113

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................115

Введение

Социально-экономическое развитие, стимулируемое ростом численности населения планеты, сопровождается обострением негативных проблем, лежащих в сфере экологии и безопасности жизнедеятельности. Особую остроту приобретают пожары. Если лесные пожары лишь отчасти являются следствием антропогенной деятельности, то пожары зданий, сооружений и транспортных средств, как правило, связаны с человеческим фактором и сопровождаются гибелью людей.

В США по данным за 2007 г. на пожарах погибло 4 050 человек, в Германии 710, а в России 13,8 тысяч человек. Очевидно, что в России на пожарах погибает неоправданно большое число людей. Число жертв постоянно растет и по данным за 2010 г. достигло 16,26 тысяч человек. Значительное число пожаров сопровождается участием древесных и целлюлозных материалов (древесноволокнистые плиты, древесностружечные плиты, фанера и др.). Это связано с высокой удельной поверхностью и химическим составом материалов и изделий.

В Египте в феврале 2002 г. газовый баллон послужил причиной пожара в поезде, унесшего более 370 жизней. Выпавшее стекло осветительного прожектора в молодежном дансинге, незатушенная сигарета в офисе многоэтажного здания, неисправность телевизора в номере отеля — вот причины многочисленных человеческих жертв.

Статистика свидетельствует, что подавляющее число случаев возникновения пожаров обусловлено малоинтенсивными бытовыми причинами возгорания, а в таких условиях огнезащищенные материалы могут локализовать развитие пожара. Это указывает на актуальность проблемы снижения пожарной опасности материалов, в том числе древесных и целлюлозных.

Необходимость соблюдения требований по пожарной безопасности при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов обусловило

появление ряда разработок по огнезащите материалов и конструкций путем нанесения на их поверхность огнезащитных средств, базирующихся в большинстве на известных антипиренах с варьируемым соотношением и целевыми добавками. Имеются и технические решения по изготовлению огнезащищенных материалов с введением антипиренов в структуру материала в технологическом процессе производства.

Параметры и показатели пожарной опасности древесных материалов зависят от вида материала, плотности, его компонентного состава, геометрических размеров. Даже порода древесины влияет на поведение материала при воздействии огня, а также на минимально необходимый расход огнезащитного средства. Древесина таких пород, как береза, ясень, граб оказывается более устойчива к действию огня, чем древесина сосны, ели, осины, но уступает в этом отношении древесине дуба и лиственницы.

Древесные плиты характеризуются широким набором свойств и поэтому различаются в отношении пожарной опасности. ДВП в соответствии с ГОСТ 4598-86 [1] вырабатываются твердыми и сверхтвердыми, плотностью не менее 800 и 950 кг/м3 соответственно, а также мягкими — 100...400 кг/м3. Колебания параметров и показателей при огневых испытаниях обусловлены неравномерной плотностью по сечению образца (в частности, ДСтП и ДВП средней плотности, известные на рынке как МВР), наличием внутренних напряжений в материале и др. Так, индекс распространения пламени снижается с ростом плотности материала и для фанеры, плотностью 720 кг/м3, составляет 100, для ДВП сухого способа, плотностью 1020 кг/м3 — 77 [2]. Токсичность продуктов горения материалов на основе древесины и целлюлозы с различными добавками и огнезащитными средствами приведена в обзоре [3]. Показатели токсичности для древесины сосны, ДСтП и фанеры ФСФ составляют 31,6, 31,9 и 32,0 кг/м3. Основным токсичным газом является монооксид углерода. Наличие в материале синтетических полимеров может усиливать токсическую опасность за счет выхода фор-

мальдегида, акролеина, муравьиной и уксусной кислот, цианистого водорода и др.

Вместе с тем разработки древесных материалов с пониженной пожарной опасностью в широких промышленных масштабах остаются не реализованными, что связано, в том числе, с недостаточной эффективностью известных технических решений. Проблема охватывает вопросы взаимодействия антипирена с древесным веществом, с синтетическими смолами, включает технологические аспекты огнезащиты, соответствия материала физико - механическим требованиям и требованиям по пожарной безопасности.

Таким образом, подтверждается необходимость проведения научных и практических работ в области подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов и минеральных добавок в технологии получения ДВП с целью снижения пожарной опасности готовой продукции.

В связи с этим очевидна актуальность настоящих исследований, посвященных разработке рациональных технологических схем размола, их оптимизации в целях экономии электроэнергии и увеличения производительности существующего оборудования в производстве ДВП с получением высококачественной готовой продукции с пониженной пожарной опасностью.

1. Анализ исследований в области производства древесноволокнистых плит специального назначения

Использование лесных ресурсов в нашей стране далеко от совершенства, древесные отходы на лесосеке составляют до 45 %. В лесопилении от поступающего на переработку пиловочника образуется до 40 % древесных отходов. Поэтому важнейшей задачей в лесной индустрии сегодня является комплексное и рациональное использование заготовляемой и перерабатываемой древесины. В связи с этим все больше уделяется

внимания увеличению темпов развития производства плитных материалов, эффективно заменяющих на современном рынке пиломатериалы и фанеру

[4].

Древесноволокнистые плиты (ДВП) - листовой материал, изготавливаемый из переплетенных между собой и сформированных в ковер влажных или сухих древесных волокон посредством горячего прессования или сушки. ДВП классифицируются по следующим признакам: 1) по плотности и прочности при изгибе - мягкие (М), полутвердые (ПТ), твердые (Т (НОР)) и сверхтвердые (СТ), плиты средней плотности (ДВП СП (МБР)); 2) по способу производства - односторонней гладкости (плиты, изготовленные мокрым способом) и двухсторонней гладкости (плиты, изготовленные сухим способом); 3) по видам отделки - облицованные с одной или обеих поверхностей листовыми или пленочными материалами, окрашенные, с лакокрасочным покрытием; 4) по видам технических свойств - водостойкие, биостойкие, огнезащищенные, звукопоглащающие, изоляционные, рельефные, ударопрочные, с пропиткой высыхающими маслами и смолами, латексами и другими веществами. ГОСТ 4598-86 «Плиты древесноволокнистые. Технические условия» определяет основные свойства ДВП. Стандарт ЕМ 622-2 определяет требования к ДВП-Т мокрого способа производства, ЕЫ 622-3 - к ДВП-ПТ, ЕЫ 622-4 к ДВП-М, ЕК 622-5 к плитам сухого способа производства. Стандарт ЕМ подразделяет ДВП по токсичности на два класса - А (9 мг/100 г плиты) и В (40 мг/100 г плиты).

На сегодняшний день известны четыре способа получения древесноволокнистых плит: мокрый, мокросухой, полусухой и сухой. Каждый из способов включает следующие технологические операции: изготовление технологической щепы, размол щепы на древесноволокнистую массу, формирование древесноволокнистого ковра, прессование и послепрессовая обработка плит. Различие способов обусловлено, в основном, специфическими условиями технологических операций формирования ковра и прессования плит различной влажности [5].

Известно, что на отечественном и зарубежном рынке востребованы ДВП со специальными свойствами: повышенной водостойкостью, био- и огнестойкостью, с высокими прочностными характеристиками, экологически безопасные и отвечающие современным требованиям эстетики и дизайна [6]. В настоящее время проводится большой объем исследований в области процесса прессования в производстве древесноволокнистых плит и интенсификации технологического процесса их производства. В то же время процессу размола древесины для данного производства, одному из основных процессов, учеными на сегодняшний день не уделяется должного внимания, научные работы по данному вопросу практически отсутствуют, а все знания опираются на научные разработки по ножевому размолу в целлюлозно-бумажной промышленности и практические навыки производственников [7]. Ниже рассмотрены основные теоретические представления о процессе получения древесного волокна.

1.1. Основные представления о процессе приготовления древесноволокнистых полуфабрикатов в размалывающих машинах

Размол древесины - одна из ответственных операций в технологии производства древесноволокнистых плит. От качества и степени размола зависят процессы отлива и обезвоживания ковра, процессы прессования и термовлагообработки плит и, соответственно, качественные показатели готовых плит. Древесноволокнистое полотно, отлитое из неразмолотых волокон, получается неудовлетворительным по своему строению, внешнему виду и физико-механическим свойствам. Не размолотые волокна обладают малой пластичностью, слабо развитой поверхностью и мало гидротированы, вследствие чего такие волокна плохо связываются друг с другом в плите [8,

9].

Авторы единодушны в своей оценке назначения и целей размола. Однако когда речь идет о процессах, происходящих с волокном при размоле,

а также механизмах воздействия на него в ножевых размалывающих машинах, можно встретить самые разнообразные, порой диаметрально противоположные точки зрения среди исследователей [10, 11].

Цель процесса размола, по С.Н. Иванову [12], состоит в том, чтобы:

1) получить древесное волокно как структурный элемент будущего материала с определенными размерами по длине и толщине;

2) сообщить волокнистому материалу определенную степень гидратации - активировать поверхность волокон таким образом, чтобы функциональные группы, расположенные на поверхности, были в состоянии взаимодействовать между собой на расстояниях, необходимых для молекулярного взаимодействия, и обеспечить механическую прочность, способность к разбуханию, объемный вес, воздухопроницаемость и другие свойства.

Б. Стинберг отмечает, что процесс размола можно рассматривать как частный случай общего процесса «увеличения площади поверхности твердых тел» или «как уменьшение размеров». Такой процесс известен как расчесывание и истирание, или дробление [13].

И. Чаверина [14] полагает, что процесс размола состоит в развитии внешней поверхности для получения связующей способности, а также в увеличении гибкости волокон за счет изменений в их внутренней структуре.

Весь комплекс изменений волокон в процессе размола сложен и многообразен. Это привело к появлению нескольких теорий размола: химической, авторами которой являются Г. Кросс и Е. Бивен [15, 16], X. Швальбе [17, 18], физической - авторы Ж. Стрейчен и В. Кемпбелл [19-22], объединненой гипотезы Ж. Кларка [23, 24], современной теории размола, разработанной Г. Хинчиным, Ж. Эллисом, Ж. Бассом и В. Никитиным [2326]. Большая заслуга в создании современной теории размола принадлежит С.Н. Иванову и Н.П. Перекальскому [27, 28], И.Д. Кугушеву [29], Н.Я. Солечнику [30, 31], A.A. Хлебникову [32], Ю.Д. Алашкевичу [33, 34], В.Н. Гончарову [35, 36].

Наиболее ранние воззрения по вопросу размола исходили из объяснения причин изменения свойств массы в процессе размола с механической точки зрения. Считалось, что волокна при размоле становятся тоньше и приобретают определенную упругость, что сказывается на улучшении прочностных свойств бумаги в процессе ее формирования.

В результате последующих исследований было установлено, что в процессе размола химический состав и структура волокон не изменяются, имеет место лишь некоторое уменьшение степени полимеризации целлюлозы при увеличении степени растворимости в щелочи и повышении гидролизного числа. Несмотря на несостоятельность химической теории, ее прогрессивное значение заключается в предопределении положительной роли гидрофильных добавок, использование которых способствует ускорению процесса размола и увеличению механической прочности отливок [25].

Наряду с химической теорией развивались представления, объяснявшие процесс размола с физической точки зрения. Наиболее полное завершение это направление получило в работе Д. Стречена [21]. Стречен выдвинул электронную теорию, согласно которой отделение фибриллы от поверхности волокна требует определенной затраты энергии, количество которой зависит от величины силы, связывающей кристаллиты целлюлозы.

Эти теории исходят из механизма воздействия размольной гарнитуры на структуру древесины. Первичная стенка клетки незначительно разбухает от воды. При размоле, когда волокна подвергаются расщеплению, раздавливанию и разрезанию, первичная стенка разрушается и обнажает вторичную оболочку. Набухание ослабляет когезионные силы, волокна становятся более мягкими и пластичными, что предохраняет их от сильного разрушения при размоле. Механическое воздействие на окруженные водой мицеллы и отдельные микромолекулы приводит к разрыхлению индивидуальных фибрилл, на поверхности которых происходит образование "начеса" фибрилл из отдельных целлюлозных волокон. Это сильно

увеличивает общую поверхность волокон, способных к контактам между собой. При формировании волокнистого ковра на отливной машине, волокна переплетаются между собой и образуют устойчивую структуру [29, 37].

В 1943 г. Ж. Кларк выступил с объединением концепций Д. Стрейчена и В. Кемпбела,