автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Разработка технологических режимов получения клееной фанеры на основе применения фурановой смолы

•« ' I \%1 >\ ; ;

РАЗРАБОТКА таНОШПДОЖИХ РЕШЗВВ ПОЛУЧЕНИЯ КЛЕЕНоП СДНЕИ НА ОО-ЮВЕ <й/РАН0£Ш С ЮШ

Специальность 05.21.05 - Технология и оборудование дере-

восбрабатыаащих производств, древесиноведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата техническим наук

Москва - 1998

Диссертационная работа выполнена на кафедре механической <нологии древесины Костромского государственного технологичес-чэ университета.

Научный руководитель - доктор технических наук.

профессор Межов И. С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Кириллов А.Н.

кандидат технических наук, доцент Амалицкий в. В.

Ведущая организация - Акционерное общество "ФАНПЛИТ".

г. Кострома.

Зашита диссертации состоится "Л."__ 1938 г.

час. на заседании специализированного совета Д 053.31.01 а Московском государственном университете леса. ауд. 313.

Отзывы на автореферат В ДВУХ ЭКЗЕМПЛЯРАХ с ЗАВЕРЕННЫМИ ЩТИСЯМИ просим направлять по адресу: 141001. Мытищи-1, Московия области. Московский государственный университет леса. Учено-секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ. Автореферат разослан " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор техни-:ких наук, профессор СЕМЕНОВ ю.п.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, в настоящее время в России для склеивания фанеры и других древесных материалов используются в основном карбамидоформальдегидные и фенолформальдегидные смолы. применение которых связано с повышенной токсичностью как самого производства, так и оееноя продукции на их основе. Поэтому вопрос изыскания связуадих пониженной токсичности является очень важным.

Предлагаемое решение по освоению производства фанеры на основе фурановых смол'дает возможность выпускать малотоксичную продукцию с высокими Физико-механическими показателями без изменений в планировках оборудования существуших фанерных цехов. Анализ литературы и патентный поиск показал, что такие смолы в производстве фанеры ранеее не использовались. Решение данного вопроса имеет большое научно-практическое значение, чем и подтверждается актуальность выбранной темы.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой научно-исследовательской работы "18-бф-95".

прпт, пяяпты и -здпяим кггпрппряимя целью работы является получение малотоксичной Фанеры на основе применения в качестве связующего фурфуроло-ацетонового мономера ФА, изучение процесса ее склеивания, анализ влияния основных технологических факторов на Физикогмеханические характеристики данной Фанеры, определение ее экологических параметров.

Для достижения поставленной цели были определены следушие задачи:

- проанализировать существующие способы снижения токсичности широко применяемых в настоящее время смол :

- исследовать влияние управляемых факторов на Физико-механические свойства фанеры, склеенной с применением фурановой смолы :

- составить математические модели предела прочности при скалывании, водопоглощения и разбухания по толщине Фанеры на основе фурановой смолы ;

- определить оптимальный режим склеивания Фанеры с применением Фурановой смолы :

- определить экологические параметры полученной Фанеры.

havwag новизна kpphp ппр.яний и пппуцрннмх результати. в 1НН0й работе :

- предложено освоение производства Фанеры пониженной токсич-сти на основе фурфуроло-ацетонового мономера ФА. Анализ литера-рм и проведенный патентной•поиск показали, что такая Фанера в омьшенйости ранее не выпускалась:

- исследовано влияние различных текнологических факторов на зико-механические показатели данной фанеры:

- разработаны математические модели влияния управляемых фак-ров на Физико-механические показатели Фанеры:

- определен оптимальный режим производства Фанеры на основе рфуроло-ацетонового моношра ФА:

- разработаны методики определения содержания свободного эфурола и ацетона в Фанере на основе фурановых смол, одобрен-з Костромской межвузовской химической лабораторией и СЭС

Шарья:

- определены экологические параметры клееной фанеры на осно-фурфуроло-ацетонового мономера ФА.

Практическая ценность результатов рабптч заключается в слезшем :

- изготовлена Фанера на основе фурфуроло-ацетонового ichoks-фа, определены ее Физико-механические показатели и оггш-[ъный режим склеивания :

- разработанный кетод получения клееной Фанеры на основе фу-;овой смолы позволяет получить новый эффективный конструкцион-

материал с высокими Физико-механическими свойствами и пони-

ной токсичность!), что позволяет расширить области ее прима не-•

- разработанные математические модели позволяет осуществить лиз и выбор технологических режимов склеивания фанеры фурфуро-ацетоновым мономером ФА :

- проведены исследования экологической чистоты Фанеры, изго-ленной с применением фурфуроло-ацетонового мономера фа и полу-э заключение о целесообразности использования этого материала эоизводстве мебели, жиливдом. гражданском строительстве и дру-сферах :

- опытные запрессовки фанеры с применением фурановой смолы в качестве связующего в условиях ОАО "Фанплит" и ОАО "Мантуровский Фанерный комбинат" подтвердили ее высокие Физико-механические показатели и малую токсичность:

- результаты исследований внедрены в учебный процесс при ; изучении дисциплин "Технология клееных материалов и плит" и

"Основы безопасности жизнедеятельности", а также используется при проведении научно-исследовательских работ.

Апга^ямия работы. основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на научно-практических конференциях преподавателей и сотрудников КГТУ в 1996, 1997 гг: на заседании кафедры технологии изделия из древесины МГУЛеса в 1998 г.

гк/бшкячш, по материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.

гтр'жтура ц пб'ьрм пябптн. Диссертационная работа общим объемом 186 страниц, состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 93 наименований и 4 прилошний. Текстовая часть изложена на 123 страницах. В работе содержится 25 таблиц. • 22 рисунка. Приложения на 63 страницах вклшаюгг результаты экспериментальных исследований: акты производственной проверки склеивания фанеры, определения ее Физико-механических показателей и токсичности: акты внедрения результатов в учебный и научно-исследовательский процесс: методки определения токсичности Фанеры.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ показана актуальность поставленной проблемы и определено направление исследований.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен обзор литературных источников, относящихся к вопросам склеивания фанеры. Рассмотрены общая характеристика фанерной продукции, области применения выпускаемой Фанеры, задачи, стоящие перед фанерным производством. Приведены сведения об основных типах клеящих смол и клеев на их основе, указывается их положительные и отрицательные качества.

В нашей стране многие годы не уделялось достаточного внимания экологическим проблемам в деревообработке. однако сегодня

- о -

ученье и специалисты поставили эту проблему на одно из первых мест. Литературный обзор показал, что требования, предъявляемые к фанере с точки зрения выделения свободного фенола и Формальдегида становятся ¡хестче. Эти вещества обладают раздражающим, общетоксичным, канцерогенным и мутагенным действием, являются сильными аллергенами, основным источником ик выделения в жилых и общественных помещениях является мебель и элементы строений, изготовленные с использованием карбашдоформальдегидных и фенолфор-мальдегидных смол.

В связи с ужесточением требований к токсичности клееных древесных материалов возникла необходимость использования для склеивания связуших, практически не содержащих Фенола и Формальдегида.

В табл. 1 приведены предельно допустимые концентрации вредных веществ, используемых в производстве традиционных карбамидо-' Формальдегидных и фенолформальдегидных смол, а такте ГЩК фурфурола и ацетона, используемых для синтеза ©урановых смол.

Таблица 1.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ

1 1 1 Наименование 1 Фенол 1 1®ормаль- 1 фурфу- 1 ! 1 Ацетон 1

1 , 1 1 1 1 дегид рол 1 1

1 1 11.Класс опасности вещества 1 2 1 2 3 1 1 1 4 I

|2. ПДК максимально разовая, 1

1 иг/и-1 1 0.01 1 0,035 0,05 1 0.35 |

13. пдк среднесуточная в воз- | 1 1

1 духе населенных мест, мг/м31 0.003 1 0,003 0.05 1 0.35 I

14.ПДК в воздухе рабочей 1

1 зоны, мг/му 1 • | 0,3 1 0,5 1 10 1 200 I 1 .. . I

Данная сравнительная оценка показывает, что допустимые концентрации фурфурола и ацетона на порядок выше, чем у фенола и Формальдегида, опасность интоксикации фурфуролом и его производными маловероятна вследствие низкой летучести этих продуктов при комнатной температуре. Это позволяет сделать вывод о том, что

клееная продукция, изготовленная с применением фурановых смол по экологическим параметрам будет значительно лучше.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена, теоретическим основам образования клеевых соединений и способам снижения токсичности фанерной продукции. Рассмотрен процесс отверждения клеевых соединений и стадии превращения смол в процессе отверждения. Рассмотренные способы снижения токсичности широко применяемых в настоящее время кар-бамидоформальдегидных и ФенолФормальдегидных смол позволяют значительно уменьшить содержание в них вредных веществ, но полностью избавиться от присутствия Фенола и Формальдегида не удается. Поэтому в данной работе предлагается производить фанеру с применением в качестве .связующего Фурановой смолы, обладашей достаточной экологической чистотой и позволяющей производить клееную продукцию с высокими физико-механическими показателями.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена изучению возможности применения фурановых смол для склеивания фанеры.

Анализ литературы показал, что фурановые смолы и, в частности, фурфуроло-ацетоновыя мономер фа довольно широко применяются в производстве строительных материалов и изделий. На их основе приготавливают бесцемэнтные прочные, водо- и маслостойкие растворы и бетоны. Пластрастворы и пластбетоны на основе мономера фа отличатся высокой химической стойкостью к кислотам, солям, щелочам и растворителям даже при температуре 100... 120 °с. они устойчивы ко всем горячим кислотам, за исключением азотной и хромовой. Незначительная пористость обеспечивает им непроницаемость для воды, нефтепродуктов и газов. Химически стойкие составы на основе мономера ФА в виде изоляционных мастак используют для кладки футеро-вок в нашей стране и за рубежом. Мономер ФА применяется также для изготовления лаков, пропиточных растворов, формовочных и прессовочных материалов, служит в качестве добавки в различные клеи для повышения их химической стойкости и удешевления.

Для оценки возможности получения фурановых смол на оборудовании существующих цехов по производству смол, а также выбора оптимальной технологии синтеза мономера ФА и возможности производства его для последующих исследований была спроектирована и изготовлена установка и проведены экспериментальные варки моноке-

- а -

ра фа под руководством проф. Межова и. с. и ст. преп. Соколова ф.ф. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

рис. 1. Схема экспериментальной установки для синтеза фура-новых смол

1 - наружный корпус реактора: 2 - внутренний корпус реакторам - мешалка: 4 - крышка реактора: 5 - привод мешалки: 6 -расширитель: 7 - термометр: 8 - трубчатый холодильник: 9 - трехходовой кран: 10 - теплоноситель: 11 - отверстие для загрузки компонентов, 12 - газовая горелка.

в результате проведенных варок был определен оптимальный рецепт и режим производства мономера ФА, пригодного для склеивания Фанеры,

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальным исследованиям процесса склеивания фанеры фурфуроло-ацетоновым мономером ФА.

Для анализа влияния количества добавляемого отвердителя Сп-толуолсульФокислотьО в клеевой состав на Физико-механические

показатели был проведен эксперимент по склеиванию фанеры при изменении содержания отвердителя в смоле с 2.5 до 10 х. Запрессовки производились по следующему режиму :

- температура плит пресса 160 °с:

- давление прессования 1,8 МПа:

- время подсушки клеевого слоя без поднятия давления 1,5 мин:

- время выдержки под давлением 7 мин:

- расход связующего 110 г/м^:

- толщина применяемого шпона 1,5 мм.

Результаты эксперимента представлены в табл 2. и на рис. 2.

Таблица 2.

Результаты исследования влияния количества добавляемого отвердителя на физико-механические показатели фанеры.

1 1 Количество добавля- 1 1 Предел Водопог- 1 - ■■" ■' 1 1 Разбухание 1

1 емого отвердителя,X 1 прочности лощение. 1 по толщине,1

|при скал, .мпа X 1 х 1

1 2.5 1 0.33 53.2 1 18,6 1

1 4,0 1 1.25 46,6 1 15.0 1

1 5,0 1 1.39 41.4 1 13.9 1

1 6,0 1 1.32 45,4 1 14.8 1

1 7,0 1 1.20 47,6 1 15.3 1

1 8,0 1 1.12 47,9 1 17.5 1

1 10.0 ■ 1 1.10 l ________ ,_ . ... 50,7 1 17.8 1 > i

Результаты проведенных опытов показали, что фанера, склеенная клеевым составом с малым содержанием отвердителя с менее 2,5%) обладает низкими Физико-механическими показателями, это объясняется тем, что при недостаточном содержании т-толуолсульфокислоты в связующем не происходит образования прочных химических связей и остается много непрореагировавших групп, что сопровождается образованием слабых связей между древесиной и связующим.

Наилучше Физико-механические показатели фанеры достигается при склеивании клеевым составом с 5 %-ным содержанием отвердите-

ля. В этом случае фанера обладает максимальной прочностью при скалывании С 1,39 МПа). минимальными водопоглощением с 41,4 зо и разбуханием по толшне С13,9 %).

дальнейшее увеличение вводимого отвердителя влечет за собой снижение физико-механических, характеристик.

2.5 4 5 6 7 8 10

Количество добавляемого отвердителя , г

рис. 2. График зависимости Физико-механических показателей от количества добавляемого отвердителя.

1 - предел прочности при скалывании после 1 часа

кипячения:

2 - водопоглощение после вымачивания в течение 24

часов:.

3 - разбухание по толщине после вымачивания в тече-

ние 24 часов.

Для исследования влияния продолжительности прессования на_ Физико-механические характеристики фанеры на основе мономера ФА был проведен эксперимент по склеиванию при изменении продолжительности вьшермси под. давлением с 3,5 до 12 мин.

Запрессовки проводились при следующих постояньи факторах :

- температура прессования 150 °с: ■ - давление прессования 1,8 Мпа:

- время подсушки клеевого слоя без поднятия давления 1 мин:

- расход связующего 110 г/м*:

- вязкость смолы 110 с ПО ВЗ—4.

- толщина применяемого шпона 1,15 мм.

Полученные результаты представлены в табл. 3 и на рис. 3.

Таблица з.

Результаты исследования влияния продолжительности прессования на физико-механические показатели фанеры

1 Продолжительность прессования, мин Предел прочности при скалывании, МПа Водопоглоще-ние, % 1 1 1 Разбухание по 1 1 толщине, % 1

1 3,5 0,78 54.3 1 16,5 1

1 4 0,80 53,3 1 15,9 1

1 5 0,96 48,6 1 15,6 I

1 6 1.16 42.8 1 14.7 |

1 7 1.27 42.2 1 14,5 I

1 8 1.30 41.3 ! 14,2 I

1 9 1,32 41.0 1 14,1 I

1 10 1.33 40.1 1 13,9 I

1 11 1,35 40,0 1 13.9 I

1 12 I ______ 1,35 39,9 1 13.8 I I — ........ 1

3,5 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Продолжительность прессования, мин

рис. 3. График зависимости (¡шико-мэханических показателей

Фанеры от продолжительности прессования

/

1 - предел прочности при скалывании после 1 часа

кипячения:

2 - водопоглоиение после вкачивания в течение 24

часов:

3 - разбухание по толщине после вымачивания в тече-

ние 24 часов.

Проведенные опыты позволили проанализировать характер изменения Физико-механических показателей фанеры на основе мономера ФА от времени выдержки под давлением. Установлено, что с увеличением продолжительности прессования до 10 мин прочностные и Физические показатели увеличивается, далее наблюдается их стабилизация, что говорит о завершении процесса отверждения фурановой смолы.

Для реализации исследования зависимости Физических показате-

лей от времени выдержки в воде были проведены опыты по вымачиванию фанеры на основе мономера ФА с замером водопоглощения и разбухания по толщине в течение 20 суток. Испытываемая фанера была склеена по следушему режиму:

- температура прессования 150 °с:

- давление прессования 1,9 МПа;

- время подсушки без давления 1,5 мин: '

- время выдержки под давлением 7 мин:

- количество добавляемого отвердителя Сп-толуолсульФокислота) 5 %:

- расход связующего но г/ъР:

- толщина применяемого шона 1,5 мм.

Результаты замеров представлены в табл. 4, на рис. 4 и на рис. 5. Обработка результатов была произведена с помощью пакета программ STATGRAFH. Для сравнения приведены величины разбухания по толщине и водопоглощения водостойкой Фанеры марки фсф.

Таблица 4.

Результаты замеров водопоглощения и разбухания по толщине.

1 1 Время выдержки 1 в воде,сутки Разбухание по толщине, % - 1 — —■ — -.....1 1 Водопоглощение, % 1

Г 1 11.0 I 1 1 48,9 I

1 2 11.3 1 54,1 I

1 3 11,5 1 62,0 I

14 11,6 1 64,6 I

Г 5 11,6 1 67.2 1

16 11,6 1 68,8 I

1 7 11,6 [ 70,8 I

1 10 11,6 : 1 74,5 I

Г 15 11,6 1 77,2 ' I

1 20 11,6 1 78,1 [

г • ' I .Г.-- Г . 1'

1234567 10 15 4 \ 20

Продолжительность -вымачивания,сутки рис. 4. зависимость разбухания Фанеры по толщине от продол-• жительности выдержки в воде

1 - Фанера на основе мономера ФА, , 2 - фанера марки ССФ.

• Продолжительность

вымачивания, сутки

рис. 5. Зависимость водопоглощения Фанеры от продолжительности выдержки в воде

1 - Фанера на основе мономера ФА,

2 - Фанера марки ФСФ.

Результаты исследования процесса разбухания и водопоглоще-ния Фанеры на основе мономара ФА позволили определить характер изменения Физических показателей в зависимости от выдержки Фанеры в воде, водопоглощение и разбухание данной фанеры происходит | по экспонентциальной зависимости, водопоглощение находится на уровне Фанеры маски ФСФ, разбухание несколько меньше.

Определение экологических параметров фанеры проводилось на основе разработанных методик по принципу обнаружения фурфурола в сточных водах.

Образцы фанеры размвром 10*20 мм загружались в круглодонную колбу, заливались этиловым спиртом и подвергались кипячению с отбором проб через равные интервалы времени. Полученные вьггяжки подвергались химическому анализу. Определение концентрации свободного фурфурола производилось Фотоколориметрическим путем на приборе КФК-3. '

Результаты испытаний представлены в табл. 5.

Таблица 5.

Результаты определения содержания свободного фурфурола в Фанере

[ — -' - 1 -" 1 Время кипячения образцов, ч 1 1 ■ "I1 - - г 1112 1 1 1 1 ■ 1 1 1 3 14 15 1 I 1 1

I 1 Содержание свободного фурфурола. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1МГ/100 г плиты 1 1,771 4,49| ,1 1 4,961 4,701 4,621 1 1 1

В Фанере склеенной с применением фурфуроло-ацетонового мономера ФА содержится менее 5 мг свободного фурфурола на 100 г плиты, что не превышает установленных норм для продукции на основе карбамидоформальдегидных смол с содержание свободного формальдегида для класса эмиссии Е-1 по ГОСТ 3916-96 не должно превышать 10 мг/100 г). Учитывая,что фурфурол не является газом и безопасней Формальдегида в 10... 20 раз, рекомендуется использовать клееную продукцию на основе фурфуроло-ацетонового мономера фа в производстве мебели, гражданском, жилищном,строительстве и в других сферах.

В Фанере на основе мономера ФА не должно наблюдаться при-

сутствия ацетона в свободном состоянии, так как при производстве мономера имеется операция сушки, то есть отделения летучих продуктов, имещих температуру кипения до 103 °С. При выполнении этой операции непрореагировавшия ацетон должен отделиться и уяти в конденсат.

В пятол главе поставлен полно Факторный эксперимент 2у и определено влияние температуры, продолжительности и давления прессования на предел прочности при скалывании после 1 часа кипячения, разбухание по толщине и водопоглощение после выдержки в воде в течение 24 часов Фанеры на основе мономера фа.

Матрица планирования эксперимента в натуральном обозначении представлена в табл. 6.

Таблица 6.

Матрица планирования в натуральных обозначениях.

1 1 номер 1 опыта • Факторы 1 Выходные величины . 1

1

Температу- Время вы- давление Предел Разбуха- Водопог-1

ра прессо- держки под прессо- прочно- ние по лощение 1

вания давлением вания сти при скалыв. толщине

' t.uc г, мин Р.МПа Гск.МПа Рз.Х ¿Увл,% 1

1 1 160 10 1,8 1,33 13.7 39.1 1

1 о | о. 140 10 1.8 0,95 17,8 43,9 |

1 3 160 5 1.8 1,16 14.9 44,2 I

1 4 140 5 1.8 0,80 22,2 51,0 I

1 5 160 10 1.6 1,30 14,1 43,5 I

1 6 140- 10 1.6 0,93 19,1 49,2 I

1 7 160 5 1.6 1.13 15,6 45,7 I

1 8 140 ...... 5 1.6 0.78 1 22,9 ) 52.3 I •

Данный эксперимент проводился при следущих постоянных факторах: . И:

- количество добавляемого отвердителя 5 2: . >;■

- расход связушего 110 г/м^:

- вязкость смолы НО с по ВЗ-4;

- толщина применяемого шпона 1,5 мм.

Для предотвращения просачивания смолы сквозь шпон проводилась подсушка пакета шпона с нанесенным клаавым составом в тачание 1 мин и принято пониженное давление прессования.

После обработки результатов эксперимента получены уравнения регрессии:

- в кодированном обозначении

у = 1,055 + 0,19x1 + 0,085x2 + 0,02x3 .

У" = 17,5375 - 2,9625X1 - 1,3625X2 - 0.3875ХЗ + + 0.6875X1X2.

у" = 46.1125 - 2.9875x1 - 2,1875x2 - 1,5625x3 -- 0,8625x2x3.

- в натуральном обозначении

Гек =■ -2,053 +- 0,019 I 40,0342- + 0,002 Р .

Рз = 103,588 - 0.5035 1 - 4,672- - 3.875 Р +• 0.028

ливд = 80,075 - 0,2991 + 4,99-гг + 10,25 Р - 3.45ГР.

Из анализа полученных математических моделей видно, что наи-болыиэе влияние на прочностные и Физические показатели фанеры, изготовленной с применением мономера фа, оказывает первый Фактор - температура прессования, вторым по влиянию является второй управляемый фактор - время выдержки под давлением, давление прессования оказывает не столь заметное влияние.• Проведенный эксперимент показал, что увеличение каждого из рассмотренных факторов на интервал варьирования приводит к росту прочностных показателей Фанеры, снижению водопоглощения и разбухания по толщине.

в шестой главе предлагается организация комплексных предприятий по производству фанеры, где неизбежно получащиеся отходы рубятся на щепу и перерабатываются в фурфурол методом гидролиза или пиролиза. На основе фурфурола синтезируются фурановые смолы, служащие в качестве связующего для Фанеры.

В настоящее время отходы фанерного производства направляются в основном для изготовления древесностружечных плит, хотя это нерентабельно из-за разницы в стоимости фанерного и древесного сырья.

Проведенный расчет показал, что на АО "Фанплит" для выработ-и фурфурола в количестве, достаточном для синтеза фурановой смо-ы и выпуска фанеры в прежнем объеме недостает 5.3 % древесных тходов. Недостающее количество сырья »ложно приобрести с близле-эщих предприятий в виде отходов или в виде низкокачественной лственной древесины.

в седьмой главе дается технико-экономическое обоснование эоизводства Фанеры на основе фурановых смол, и проведен зкономи-зский расчет целесообразности этого производства.

Экономический эффект при производстве такой фанеры ожидает-1 от получения маютоксичной продуцкции с высокими Физико-меха-«ескими показателями, которая, в отличие от выпускаемой в нас-шее время, может без ограничения использования во веек сферах зродного хозяйства в нашей стране и поставляться на экспорт.

Экономический расчет проводился в сравнении с технологией >лучения Фанеры на Костромском АО "Фанплит" в 1936 г. при этом в ^счетам приняты одинаковые с базовым вариантом производственные гловия.

Экономическая эффективность производства Фанеры на основе грановой смолы ведется по Формуле:

э = [сц2 - с/с2) - сц1 - с/с1)3 в ,

е Ш. - средняя отпускная цена 1м3 фанеры на АО "Фанплит". т. руб:

Ц2 - отпускная цена 1му Фанеры на основе фурановой смолы, т. руб:

С/С1 - себестоимость производства 1м3 Фанеры на АО "Фанплит". т. руб:

С/с2 - себестоимость производства 1м3 фанесЙ на основе Фурановой смолы, т. руб:

В - расчетный объем производства Фанеры, м^.

При организации производства клееной фанеры на основе применил фурановых смол в сравнении с показателями работы АО "Фан-<т" уменьшаются затраты на 1 рубль товарной продукции на 2%.

увеличивается прибыль от реализации продукции на 37%, рентабельность производства увеличивается на 11,3%. экономический эффект производства такой Фанеры достигнут за счет более высокой отпускной цены С цена фанеры на основе мономера фа принята на 5% выше цены фанеры марки ФСФХ которая может быть обоснована экологической чистотой рассматриваемой фанеры и высокими Физико-механическими показателями.

Экономический эффект от перехода Костромского АО "Фанплит" на производство фанеры, склеенной на основе Фурановой смолы, составляет 3719240 т. ру'б С в ценах 1996 г. Э.

ОБЩИЕ вывода И РЕКОМЕНДАЦИИ по РАБОТЕ

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Фанера, изготовленная с применением ФурФуроло-ацетоново-го мономера ФА. обладает высокими физико-механическими показателями, сравнимыми с показателями водостойкой фанеры марки ФСФ. Для производства Фурановых смол и фанеры на их основе требуется то же оборудование, что и для производства традиционных смол и Фанеры.

2. Проведенные экспериментальные исследования позволили определить влияние основных технологических факторов на Физико-механические характеристики данной Фанеры.

3. Получены уравнения регрессии, показывающие влияние управляемых факторов на физико-механические показатели фанеры и позволяющие прогнозировать Физико-механические показатели Фанеры при изменении режимов прессования.

4. Результаты проведенных экспериментов позволили определить оптимальные режимы склеивания.фанеры с использованием в качестве связующего фурфуроло-ацетонового мономера ФА и п-толуол-сульФокислоты в качестве отвердителя. Наилучшие физико-механические характеристики такой фанеры достигаются при следующих режимах :

- температура прессования 150... 160 °С,

- время подсушки клеевого слоя для предотвращения просачивания смолы сквозь шпон 1...1.5 мин.

(Ремя выдержи под давлением 7... 10 мин, [авление прессования 1,8 МПа, юличество добавляемого отвердителя 5%. >асход связушего lio г/м^.

5. Проведенные исследования экологической чистоты фанеры на ове мономера ФА позволили сделать заключение о целесообразнос-применения этого материала в производстве мебели, строи-ьстве и других сферах.

6. В работе предлагается организация комплексных фанерных изводств. на которых возможно получение фурфурола из неизбеж-образущихся древесных отходов, синтез фурановых смол на его ове и склеивание фанеры с использованием в качестве связуице-Хурановых смол. Такие мероприятия позволяют эффективно пересажать отходы производства и получать малотоксичную продукцию с экими физико-механическими показателями.

7. Экономический расчет показал, что при производстве рас-гриваемой фанеры увеличивается рентабельность производства на 3 х и прибыль от реализации продукции на 37 % по сравнению с шми АО "Фаплит". Экономический эффект от перехода на произ-ггво фанера на основе фурановой смолы составляет 3719240 т.руб ©нах 1996 г.).

СТЖОК ПУБЛИКАЦИЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

'грюмов С.А., Глущенко А.И. Технологические и экологические спекты использования фурановых смол в производстве древесных омпозишонных материалов. // Тезисы докладов Международной аучно-технической конференции "Лен-96". -Кострома: Изд-во остром, гос. технол. ун-та. 1996. - с. 120. лущенко А. , Угрюмов С. А. Способы определения свободного урфусола при производстве древесных материалов на основе фу-зновых смол. // Тезисы докладов VII Международной научно-тех-. оческой конференции "Оптические, радиоволновые, тепловые ме-эды и средства контроля природной среды, материалов и промьшь-, ;нных изделий". -Череповец, 1997. - с. 17-18. "рюмов С.А. Влияние количества добавляемого отвердителя на

Физико-механические показатели фанеры, склеенной с применением фурановой смолы. // Сборник научных трудов молодых ученых КГТУ. -Кострома: Изд-во Костром, гос. технол. ун-та, 1997. - с. 162-164.

4. Угрюмов С-а. влияние основных текнологических Факторов на прочностные и Физические показатели ишеры. изготовленной на основе фурфурол-ацетонового мономера ФА. // Сборник научных трудов молодых ученых КГТУ. -Кострома: Изд-во Костром. гос. технол. ун-та, 1997. - с.164-166.

5. Угрюмов с.А., Глушенко А.И. Эффективность применения фурано-вых смол в производстве клееной Фанеры и плит. // Сборник научных трудов молодых ученых КГТУ. -Кострома: Изд-во Костром, гос. технол. ун-та, 1997. - с. 175-176.

6. Глушенко А. И. , Угршов С. А. Фурановые сколы - связущее для производства древесных композиционных материалов. // Сборник научных трудов молодых ученых. КГТУ. -Кострома: Изд-во Костром, гос. технол. ун-та, 1997. - с. 168-170.

7. Угрюмов С.а., Глушенко А.И. Математические модели влияния технологических Факторов на Физико-механические характеристики Фанеры на основе мономера ФА.// Информационный листок N 120-97. -Кострома : Центр научно-технической информации, 1997. -4 с.

8. Угршов С.А., Глушенко А.И. Исследование разбухания по толщине и водопоглощения фанеры на основе фурфуроло-ацетонового мономера ФА.// Информационный листок N 121-97. -Кострома : Центр научно-технической информации, 1997. -3 с.

9. Угрюмов С.А., Глушенко А.И. Исследование экологических параметров Фанеры на основе мономера ФА. // Информационный листок N 122-97. -Кострома: Центр научно-технической информации, 1997. -4 с.

10. Межов И.е., Карпунин Ф.Н., Угрюмов С.А. Экспериментальная основа для оптимизации технологических режимов производства фанеры с применением фурфуролацетонового мономера ФА.// Дере-вообрабатывашая промышленность. 1998. N 2. -с. 18-19.

11. Межов И.е., Соколов Ф.Ф., Угршов С.А. Применение фурановых смол в производстве фанеры.// Деревообрабатывающая промышленность, 1998, N 3. -с. 17-18.

Автореферат

Подписано в печать 25.03.§8г.Захаз92.,Ь!рая100.КГТУ.



/

Министерство общего и профессионального образования

Костромской государственный технологический университет

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЮМОВ ПОЛУЧЕНИЯ КЛЕЕНОЙ ФАНЕРЫ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ФУРАНОВОЙ СМОШ

Специальность : 05.21.05. Технология и оборудование

деревообрабатывающих производств, древесиноведение.

Российской Федерации

На правая рукописи

УГРЮМОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

РТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель : д.т.н., проф. Межов И.С.

Кострома, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 10

1.1. Общая характеристика фанерной продукции и задачи, стоящие перед Фанерным производством 10

1.2. Области применения выпускаемой Фанеры 13

1.3. Экологические требования к Фанерной продукции 15

1.4. Важнейшие требования, предъявляемые к синтетическим клеящим смолам 17

1.5. Основные типы клеящих смол и клеев на их основе,

их положительные и отрицательные качества 19

1.6. Предельно допустимые концентрации вредных веществ, применяемых при изготовлении смол, используемых

для склеивания Фанеры 22

1.7. Выводы по первой главе 24

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

И СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ФАНЕРНОЙ ПРОДУКЦИИ 25

2.1. Теоретические исследования образования клеевых соединений 25

2.2. Применяемые для склеивания фанеры основные синтетические смолы и способы снижения их токсичности 33

2.3. Выводы по второй главе 45

3. ПРИМЕНЕНИЕ ФУРАНОВЫХ СМОЛ ДЛЯ СКЛЕИВАНИЯ ФАНЕРЫ 46

3.1. Свойства фурановых полимеров 46

3.2. Известные области применения фурфуроло-ацетоново-

го мономера ФА 52

3.3. Обоснование применения низкотоксичных фурановых смол для склеивания фанеры 54

3-4. Исследования по отработке оптимального режима синтеза фурфуроло-ацетоново го мономера ФА 56

3.5. Выводы по третьей главе 59

4- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 60

4.1. Исследование влияния количества добавляемого от-вердителя на Физико-механические свойства Фанеры

на основе фурфуроло-ацетонового мономера ФА 60

4.2. Исследование влияния продолжительности прессования на Физико-механические свойства фанеры на основе мономера ФА 63

4.3. Исследование влияния температуры прессования на прочность фанеры при скалывании 66

4.4. Исследование зависимости водопоглощения и разбухания по то лишне фанеры на основе мономера ФА от продолжительное™ выдержи в воде 68

4.5. Исследование содержания свободного фурфурола в фанере на основе мономера ФА 72

4.6. Выводы по четвертой главе 77 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФАНЕРЫ НА. ОСНОВЕ ФУРФУРОЛО-АЦЕТОНОВОГО МОНОМЕРА ФА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА 78

5.1. Цель исследований 78

5.2. Выбор управляемых Факторов 78

5.3. Методика проведения эксперимента 79

5.4. Выбор уровней варьирования управляемых факторов 81

5.5. Построение матриц планирования в кодированном и натуральном выражениях 83

5.6. Обработка результатов эксперимента 85

5.7. Графическое представление зависимости выходных ве-

личин от переменных Факторов 91

5.8. Выводы по результатам полнофакторного эксперимента 97

6. РАСЧЕТ ПОТРЕБНОСТИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУРФУРОЛА. 98

6.1. Обоснование использования отходов фанерного производства для выработки фурфурола 98

6.2. Расчет потребного количества отходов для выработки фурфурола 99

6.3. Выводы по шестой главе 100

7. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 101

7.1. Технико-экономическое обоснование производства фанеры на основе фурановой смолы loi

7.2. План по издержкам производства 102

7.3. План "Труд и кадры" 104

7.4. План по прибыли и рентабельности 109

7.5. Технико-экономические показатели фанерного производства 111

7.6. Определение экономической эффективности от внедрения производства фанеры на основе фурановой смолы 113

7.7. Вывода по седьмой главе 114 ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 115 ЛИТЕРАТУРА 117 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 125 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 134 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 142 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 145

ВВЕДЕНИЕ

до самого последнего времени международные организации с даже такие, как Всемирная организация здравоохранения - ВОЗ) не рассматривали жилище как важный канцерогенный фактор. Однако в последнее время постепенно нарастает понимание степени реальной опасности, которую может представлять собой весь комплекс химических воздействий, получаемых человеком в жилище.

В воздухе жилых и общественных помещений очень часто присутствуют вредные для здоровья человека вещества - Фенол и формальдегид, которые выделяются из мебели, строительных конструкций, изготовленных из Фанеры, древесностружечных плит, других склеенных древесных продуктов на основе Фенол- и формальдегидосо-держащих связующих.

Проблема содержания фенола и Формальдегида в жилище - проблема международная, которая беспокоит специалистов многих стран мира. Эти вещества обладают выраженным токсическим действием, раздражают слизистые оболочки глаз, горла, верхних дыхательных путей, вызывают головную боль и тошноту. Эти вещества обладают канцерогенным свойством и наиболее опасны для детей сособенно в возрасте до 5 лет) и лиц преклонного возраста, так как именно они наиболее чувствительны к их воздействию и находятся дома больше, чем другие группы населения.

Надо сказать, что в последние 20 лет проблема качества воздуха в жилых и непроизводственных помещениях переживает своеобразный бум : начиная с 1978 года, в Европе, США, странах Азии проводятся многочисленные международные совещания по этой проблеме и с каждым совещанием растет внимание, уделяемое экспертами вредным для здоровья человека веществам, находящимся в жилище. Поэтому задачи по снижению токсичности существующих смол, применяемых в деревообрабатывающей промышленности, отыскание новых малотоксичных и экологически чистых клеев на основе которых можно производить клееную древесную продукцию, безвредную для здоровья человека в настоящее время поставлены на одно из первых мест и особо актуальны.

В данной работе предлагается использовать для склеивания фанеры Фурановую смолу, обладающую достаточной экологической чистотой и позволяющую выпускать продукцию с высокими Физико-механическими показателями.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время в России для склеивания фанеры и других древесных материалов используются в основном карбамидоформальде-гидные и ФенолФормальдегидные смолы, применение которых связано с повышенной токсичностью как самого производства, так и клееной продукции на их основе. Поэтому вопрос изыскания связующих пониженной токсичности является очень важным.

Предлагаемое решение по освоению производства фанеры на основе фурановых смол дает возможность выпускать малотоксичную продукцию с высокими физико-механическими показателями без изменений в планировках оборудования существующих фанерных цехов. Решение этого вопроса имеет большое научно-практическое значение, чем и подтверждается актуальность выбранной темы.

Цель работы и задачи исследований

Целью работы является получение малотоксичной фанеры на основе применения в качестве связующего фурфуроло-ацетонового мономера ФА, изучение процесса ее склеивания, определение влияния основных технологических Факторов на физико-механические характеристики и проверка ее эколгических параметров.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

- проанализировать существующие способы снижения токсичное-

ти широко применяемых в настоящее время смол:

- исследовать влияние управляемых факторов на физико-механические свойства фанеры, склеенной с применением фурановой смолы:

- составить математические модели предела прочности при скалывании, водопоглощения и разбухания по толщине фанеры на основе Фурановой смолы:

- определить оптимальный режим склеивания Фанеры на основе фурановой смолы:

- определить экологическую чистоту полученной фанеры.

Научная новизна исследований и полученных результатов

В данной работе :

- предложено освоение производства Фанеры пониженной токсичности на основе фурфуроло-ацетонового мономера ФА. Анализ литературы и проведенный патентный поиск показали, что ранее такая фанера в промышленности не выпускалась:

- исследовано влияние различных технологических факторов на Физико-механические показатели данной Фанеры:

- разработаны математические модели влияния управляемых Факторов на Физико-механические показатели фанеры:

- определен оптимальный режим производства Фанеры на основе фурфуроло-ацетонового мономера ФА:

- разработаны методики определения содержания свободного фурфурола и свободного ацетона в клееной Фанере на основе фурано-вых смол, одобренные Костромской межвузовской химической лабораторией (свидетельство об аттестации N 76 от 21 июня 1996 г.) и СЭС г. Шарья:

- определены экологические параметры клееной фанеры на основе фурфуроло-ацетонового мономера фа.

Практическая ценность результатов работы

- изготовлена клееная Фанера на основе фурфуроло-ацетонового мономера ФА, определены ее Физико-механические показатели и определен оптимальный режим склеивания :

- разработанный метод получения клееной фанеры на основе фу-рановой смолы позволяет получить эффективный конструкционный материал с высокими Физико-механическими свойствами и пониженной токсичностью, что позволяет расширить области ее применения ;

- разработанные математические модели позволяют осуществить анализ и выбор технологических режимов склеивания фанеры ФурФуро-

ло-ацетоновым мономером ФА : $

- проведены исследования экологической чистоты фанеры, изготовленной с применением фурфуроло-ацетонового мономера ФА и получено заключение о целесообразности использования этого материала в производстве мебели, жилищном, гражданском строительстве и других сферах :

- опытные запрессовки фанеры с применением фурановой смолы в качестве связующего в условиях Костромского ОАО "Фанплит" и ОАО "Мантуровский Фанерный комбинат" подтвердили ее высокие Физико-механические показатели и малую токсичность:

- результаты исследований внедрены в учебный процесс при изучении дисциплин "Технология клееных материалов и плит" и "Основы безопасности жизнедеятельности".

Пг-нпаные положения. выносимые на зашита

- обоснование использования фурановых смол для склеивания Фанеры:

- влияние основных технологических факторов на физико-механические характеристики фанеры, изготовленной с применением мономера ФА:

- математические модели влияния управляемых Факторов на физико-механические показатели данной фанеры:

- результаты экологических испытаний изготовленной Фанеры;

- экономическое подтверждение целесообразности производства клееной Фанеры на основе фурановых смол.

Аптбапия пабпты

Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на научно-практических конференциях преподавателей и сотрудников Костромского государственного технологического университета в 1996, 1997 гг., на заседании кафедры технологии изделий из древесины Московского государственного университета леса в 1998 г.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Общая характеристика Фанерной продукции и задачи, стоящие перед фанерным производством

Фанера представляет собой слоистую клееную древесину, сос-тояую из трек и более листов лущеного шпона, иногда в композиции с другими материалами С 1,23. Свойства ее зависят от применяемой древесины и клея, которым слои древесины соединяются друг с другом, а также от взаимного расположения последним. Применение для склеивания шпона синтетических клеев позволяет .придавать фанере высокую прочность, повышенную жесткость и водостойкость. По сравнению с натуральной древесиной она имеет меньшую упругую анизотропию, высокую удельную прочность, повышенную жесткость.

Фанера - одна из возможных модификаций древесины , широко используемая в качестве конструкционного материала. 1 м3 фанеры заменяет в народном хозяйстве страны 2.5 м3 деловой древесины [1]. Многолетний опыт применения клееной фанеры показывает, что она является не только высококачественным, но и достаточно экономичным материалом по сравнению с заменяемыми ею пиломатериалами. Так, при использовании Фанеры в строительстве на внутреннюю обшивку стен 1 м3 Фанеры заменяет 4.3 м3 пиломатериалов. В производстве мебели - 5.2 м3 пиломатериалов, в производстве тары коэффициент замены составляет 5.1 [33. К фанерной продукции относятся различные виды клееной древесины с гост 15812-87) с 43, полуфабрикаты ее производства (лущеный и строганый шпон), а также отдельные виды клееной древесины (столярные плиты) и продукты переработки древесных отходов (древесные пресс-массы).

Основная продукция фанерного производства: 1. Фанера и Фанерные плиты, состоящие из склеенных между собой

- и -

листов лущеного шпона с заданным направленимем волокон в смежный слоях. Зта продукция подразделяется на:

- фанеру общего назначения:

- бакелизированную фанеру - материал повышенных водо-, атмосфе-ростойкости и прочности:

- авиационную фанеру - Фанеру специальных марок, предназначенных для использоваания в авиационной промышленности:

- декоративную Фанеру - облицованную пленочными покрытиями в сочетании с декоративной бумагой:

- строительную фанеру.

2. Фанерные трубы и муфты, изготовленные навивкой из специальной трубной Фанеры.

3. Древесные слоистые пластики, состоящие из склеенных синтетическими клеями в процессе термической обработки под высоким давлением слоев лущеного шпона, у которых волокна древесины в смежных листах по отношению друг к другу имеют заданное направление.

4. Гнутоклееные детали.

5. Лущеный и строганый шпон.

6. Столярные плиты, изготовленные путем облицовывания шпоном реечных щитов.

В зависимости от вида применяемого клея, толщины шпона, параметров термообработки в процессе склеивания Фанера и фанерная продукция может быть повышенной, средней и низкой водостойкости, соответственно марок ФСФ, ФК, ФБА и иметь плотность от 550 до 1200 кг/му. В России преимущественно вырабатывают Фанеру марки ФК с наружными слоями из шпона лиственных пород соколо 70 % от общего объема фанеры). На долю фанеры марки ФСФ приходится примерно 20 %. Свойства Фанеры обеих марок регламентированы ГОСТ 3916-96 С 5].

В отличие от древесностружечных и древесноволокнистых плит,

получаемых из измельченной и спрессованной древесины, клееная фанера имеет ненарушенное строение древесного волокна, что обеспечивает ей высокие физико-механические показатели.

Из большого числа пород, применяемых для изготовления фанеры, наиболее высокими механическими показателями обладает березовая Фанера С1]. Причиной пониженной механической прочности фанеры из древесины хвойных пород является меньшая прочность древесины хвойных пород, а также неоднородность строения поздней и ранней древесины.

Весьма актуален вопрос о применении хвойных пород при изготовлении клееной фанеры вследствие того, что запасы березы в лесах, расположенных в зоне фанерных заводов, в значительной степени истощены [6,73.

Использование хвойных пород в производстве фанеры связано с некоторыми затруднениями, а именно : наличие смолистых веществ, которые препятствуют лущению, загрязнение смолой не только режущих инструментов, но и плит прессов, роликов сушильных устройств, большое различие в строении весенней и летней зон древесины хвойных пород.

Однако в западных странах хвойные породы применяют в фанерном производстве уже значительное время вследствие острого дефицита древесины лиственных пород [6,8-10].

По способу производства различают фанеру горячего и холодного склеивания. По строению листа фанера может быть склеена из шпона одинаковой толщины или из разнотолщинного шпона.

Для повышения прочности фанеры ее армируют волокнами капрона, стекла, металлом. Этот способ в деревообрабатывающей промышленности нашел применение в производстве армированной Фанеры [ИЗ.

Постепенно увеличивается выпуск фанеры повышенной атмосфе-ростойкости, облицованной различными пластиками, пленками, деко-

штивными покрытиями: пропитанной составами, повышающими ее огнестойкость и сопротивляемость биовоздействиям: с заделанными кромками. Возростает удельный вес фанеры готовой фабричной отделки Слаками, клеевой и масляной красками и т.д.) С123.

Перед фанерным производством стоят задачи по увеличению объемов производства Фанерной продукции, интенсификации технологических процессов, технического перевооружения и реконструкции действующих предприятий, механизации и автоматизации технологических процессов, сокращения расхода основных материалов, экономии топливно-энергетических ресурсов, расширения ассортимента и повышения качества выпускаемой продукции. Ассортимент выпускаемой в России Фанеры ограничен. Недостаточно вып