автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технология производства влагостойкой фанеры из термомодифицированного шпона

На правах рукописи

Зиатдинов Радис Решидович

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЛАГОСТОЙКОЙ ФАНЕРЫ ИЗ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОГО ШПОНА

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2013

г 8 НОЯ 2013

005540066

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждений высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Сафин Рушан Гареевич

- Рыбин Борис Матвеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса», г. Москва, профессор кафедры технологии деревоперерабатываюших производств

- Угрюмов Сергей Алексеевич доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г. Кострома, заведующий кафедрой лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств

- ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» (УГЛТУ), г. Екатеринбург.

Защита диссертации состоится «13 » декабря 2013 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, д. 68.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан « 13 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Е.И. Байгильдеева

Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

Значительная прочность при малой плотности, сравнительно большая площадь листа, позволяющая выкраивать детали необходимого формата — все эти качества фанеры определили область ее применения как конструкционного материала строительного и поделочного назначения. В настоящее время основные проблемы совершенствования технологии производства фанеры направлены на повышение экологичности процессов, а также на получение готового продукта с низкой токсичностью, повышенной долговечностью и с минимальной формоизменяемостью в условиях влажностно-температурных воздействий.

Фанера — это гигроскопичный материал. Ее эксплуатация во влажной среде приводит к потере прочности, к формоизменяемости и биоповреждениям. Без специальной обработки фанерная продукция имеет ограниченный срок службы.

Для производства фанеры повышенной водостойкости в России применяются фенолоформальдегидные смолы (ФФС). Однако эти смолы токсичны и фанера на их основе согласно государственным стандартам запрещена к использованию внутри помещений.

В то же время в последние годы можно наблюдать возрастающий интерес к улучшению качества пиломатериалов при помощи термообработки. При этом, как известно термомодифицированная древесина благодаря изменениям, произошедшим с ней на молекулярном уровне, приобретает такие уникальные свойства, как повышенная водооталкиваемость, низкая гигроскопичность, устойчивость к гниению и воздействию вредителей.

Кроме того, в последние годы активно ведутся исследования в области создания композиционных материалов на основе термомодифициро-ванной измельченной древесины. При этом исследований, направленных на повышение влагостойкой фанеры путем термообработки шпона до сих пор не проводилось.

В связи с этим следует считать актуальной задачу исследования процесса контактного термомодифицирования шпона с последующим изготовлением из нее влагостойкой фанеры.

Настоящая работа выполнена при поддержке гранта по программе Старт № 10-4-Н3.8-0085 «Создание полупромышленной установки по ваку-умно-контактному термомодифицированию древесных материалов».

Степень разработанности проблемы. Проблемам исследования свойств древесины как древесного сырья в производстве влагостойких клееных материалов посвящены многие работы зарубежных и отечественных

ученых. Вопросам повышения водостойкости фанеры посвящены работы Е.И. Матюшенковой, P.A. Веселовского, Н.П. Плотникова (Россия); вопросам влияния природных и модифицированных экстрактивных веществ древесины на свойства древесноволокнистых плит сухого формования посвящена работа Г.И. Царева (Россия); вопросам совершенствования технологии производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и минеральных вяжущих - работы Л.И. Аминова, И.Х. Наназашвили, С.Д. Каменкова (Россия); вопросам влияния термообработки на физико-механические, эксплуатационные свойства древесины - работы Andreas О. Rapp (Germany), Vincent Repellin (France), занимающегося также вопросами закономерностей изменения цветового решения древесины в процессе термомодифицирования.

Пель и задачи исследования состоят в разработке и обосновании технологии термического модифицирования шпона, с последующим изготовлением влагостойкой малотоксичной фанеры с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Анализ научных основ и технологий совершенствования процесса производства фанеры, направленных на улучшение эксплуатационных, экологических характеристик и повышения влагостойкости.

2. Исследование современных технологий в области термического

модифицирования древесины.

3. Экспериментальная оценка воздействия контактного термомодифицирования на физические свойства, химический состав и структуру шпона.

4. Разработка математической модели, позволяющей прогнозировать степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины шпона.

5. Экспериментальное подтверждение повышения водостойкости образцов фанеры, изготовленных из термомодифицированного шпона.

6. Разработка инженерной методики расчета физико-механических свойств фанеры, изготовленной из шпона в зависимости от степени термомодифицирования.

7. Обоснование экологической составляющей фанеры, изготовленной из термомодфицированного шпона.

8. Промышленная апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Предмет и объект исследования Предметом исследования является

технология термического модифицирования шпона в производстве фанеры. Объектами исследования являются листы шпона березы и фанера из листов шпона, прошедшего термомодифицирование.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической основой исследования являлись положения о комплексе свойств исходных компонентов, выступающих в качестве основных факторов формирующих эксплуатационные свойства фанеры. Теоретической базой исследований являлись работы ученых по исследованию модифицирования древесного сырья в производстве влагостойких клееных материалов, исследования физико-механических свойств влагостойкой фанеры и результаты лабораторных испытаний фанеры по проблеме показателей ее качества и безопасности, а также нормативные документы.

Эмпирическую основу составляли исследования физических и механических свойств объекта обработки, таких как: цветовые характеристики, температура и плотность, водо- и влагопоглащение, пределы прочности на сжатие, на статический изгиб, на растяжение и на скалывание фанеры.

Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие научные результаты:

1. Технология создания влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии.

2. Ресурсосберегающая технология контактного термического модифицирования шпона.

3. Математическая модель, позволяющая прогнозировать степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины древесного материла.

4. Механизм изменения физических и физико-механических свойств фанеры, изготовленной из термообработанного шпона.

5. Обоснование экологичности влагостойкой фанеры, изготовленной из термомодифицированного шпона.

6. Результаты опытно-промышленной апробации производства влагостойкой фанеры на основе термомодифицированного шпона.

Научная новизна результатов работы. Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на термомодифицирование шпона с целью получения влагостойкой влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии:

1. Разработана технология создания влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии из термомодифицированного шпона.

2. Исследован способ термомодифицирования березового шпона контактным методом.

3. Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины древесного материала.

4. Обоснована возможность использования фанеры, изготовленной из термомодифицированного шпона.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработке математической модели, которая позволяет определить степень термомодифицирования шпона в зависимости от параметров обработки.

Практическая значимость работы получена в результате комплексного исследования технологических процессов создания влагостойкой фанеры на основе термомодифицированного шпона:

- разработан экспериментальный стенд и методика проведения исследований контактной высокотемпературной обработки древесного материала без доступа кислорода воздуха;

- разработана технология создания влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии из термомодифицированного шпона

- разработаны рациональные технологические режимы ведения процесса термического модифицирования шпона;

- проведена апробация предложенной технологии получения влагостойкой фанеры в промышленных условиях.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались на Международных конференциях «ММТТ-26» (Саратов), «Актуальные проблемы науки и образования» (Москва), «Наука. Технология. Производство - 2013» (Салават), «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома), «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2013» (Казань); на 1-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Лесной комплекс в XXI веке» (Казань); на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (Казань).

Разработана и внедрена в производство в ООО «НПП «ТермоДрев-Пром» (г. Казань) пилотная установка для термического модифицирования шпона большого формата.

Разработана и принята к внедрению в технологический цикл производства клееных материалов процесс получения термомодифицированного шпона и изготовления из него влагостойкой фанеры предприятием ООО «Поволжский фанерно-мебельный комбинат» (г. Зеленодольск).

Теоретические положения создания влагостойких клееных материалов на основе термомодифицированного древесного сырья и методики экспериментальных исследований, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Основы строительного дела» и «Технология композиционных материалов».

Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд для исследования процесса термического модифицирования шпона, выполнены эксперименты и проведены опытно-промышленные испытания. Автором была разработана и смонтирована пилотная установка для термомодифицирования тонких листов древесины большого формата. Автор разработал способ термической обработки древесины. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и подана заявка на патент РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [2,3, 7, 8,10] - исследование влияния термообработки на эксплуатационные характеристики изделий из тонких листов древесин; [6, 11, 12, 13] - создание экспериментального стенда, получение и обработка экспериментальных данных; [1,5, 14] - разработка конструкций промышленного аппарата; [4, 9, 15] - обоснование экономической эффективности аппаратурного решения технологического процесса.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

На всех этапах работы в качестве научного консультанта активное участие принимал к.т.н., доцент Хасанпган Р.Р.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние теории и практики создания новых клееных материалов на основе древесного сырья, в результате которого выявлено, что возможность получения влагостойкой фанеры без химической обработки является причиной повышенного интереса к термообработке древесины. Приведены современные представления о теоретических основах процесса термомодифицирования древесины. Несмотря на ряд достоинств, основными недостатками известных технологий термомодифицирования являются снижение физико-механических свойств тер-мообработанной древесины и значительные энергетические затраты.

Во второй главе описан разработанный экспериментальный стенд для исследования модификации тонких листов древесины путем контактного термомодифицирования в разреженной среде.

Термомодифицирование березового шпона проводилось в диапазоне температур 413 - 533К. Наиболее характерные изменения образцов по цветовой гамме наблюдаются при термообработке материала, где температура обрабатываемой плиты составляла свыше 473К.

На рис. 1 представлены результаты исследования по кинетике убыли плотности березового шпона. Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что термомодифицирование оказывает прямое влияние на изменение плотности древесного материала: чем выше температура обработки, тем интенсивнее снижается плотность образца (рис. 1 а), при этом увеличение толщины шпона способствует замедлению процесса уменьшения его плотности (рис. 16).

р.,

кг/м 520

510 500 490 480

Т^=473К Т,«,-493К /

Т*,=51Ж

Товр=533К

500 490 480

^ 6=2.0 мм

8=1,5 мм

Т 5=0,95 мм

мин

20 б

Рис. 1. Кинетические кривые изменения плотности березового шпона в процессе контактного термомодифицирования: а - для шпона толщиной 1,5 мм; 6 - при

Т0бр=513К.

В процессе термомодифицирования древесного материала наблюдается сложный процесс, который протекает внутри тела. При этом изменяются: цвет, плотность, масса, клеточное строение образца. Данные изменения значительно усложняют изучение влияния режимных параметров процесса термообработки шпона на эксплуатационные свойства готовой продукции и как следствие определение рациональных режимов модифицирования пиломатериалов.

Для унифицирования изменяющих свойств шпона в процессе термомодифицирования было определена степень термомодифицирования

(1)

Рн-Рк

Используя полученные кинетические кривые изменения плотности шпона в процессе контактного термомодифицирования, были получены графические зависимости продолжительности стадии термообработки от требуемой степени термомодифицирования, которые представлены на рис. 2.

Рис. 2. Степень термомодифицирования березового шпона при толщине 1,5 мм.

Анализ представленных данных подтверждает, что скорость термомодифицирования зависит от температуры обработки и имеет наибольшие значения в начале процесса, когда содержание экстрактивных веществ и пентозанов максимальное. Полученная диаграмма позволяет выбрать режим процесса термомодифицирования путем сокращения нерациональных вариантов, требующих значительной продолжительности процесса.

На основе планирования эксперимента и результатов экспериментальных исследований по термическому модифицированию листового древесного материала была разработана математическая модель позволяющая

прогнозировать процесс термомодифицирования шпона в зависимости от времени, температуры обработки и толщины шпона

0= -1,35 + 0,0803т+ 0,0056Т-0,546 + 0,00183Т-5-0,00169т2. (2)

Из анализа уравнения регрессии следует, что основное влияние на степень обработки шпона оказывают температура и продолжительность.

Для исследования влагопоглощения обработанных и контрольных образцов шпона был использован стандартизованный метод, который проводят в эксикаторе с насыщенным раствором соды на эксикаторных вставках. На основе проведенных экспериментальных исследований было выявлено, что термообработка древесного материала способствует снижению гигроскопичности шпона (рис. 3). Также снижение гигроскопичности наблюдается и при увеличении продолжительности обработки при одной и той же температуре.

На рис. 4 представлены результаты исследований одного из важнейших недостатков древесного сырья — развития давления набухания. Экспериментальные исследования показали, что давление набухания шпона уменьшается соответственно увеличению степени обработки материала.

Проведенные исследования указали на значительно снижение плотности листов шпона в процессе термообработки, что теоретически может привести к увеличению проницаемости шпона жидкостями и, как следствие, к просачиванию клея на поверхность фанеры при её прессовании, что может вызвать снижение прочности клеевого шва и ухудшить внешние характеристики.

Рис. 3. Изменение относительной массы термомодифицированных образцов шпона при выдержке во влажной среде.

Рис. 4. Давление набухания шпона в зависимости от степени термообработки.

В связи с этим, были проведены исследования на проницаемость термомодифицированных листов шпона жидкостями (рис. 5).

Рис. 5. Экспериментальные данные исследования коэффициента водопроницаемости шпона в зависимости от степени термомодифицирования.

Анализ зависимости показывает, что с ростом степени обработки значения коэффициента сначала снижаются, но при достижении <3 = 0,6 наблюдается тенденция к возрастанию. Подобный вид кривой может объясняться при невысоких степенях термообработки совместным действием процессов сужения пор в результате термической усушки и их закупоривания продуктами разложения древесины при увеличении степени термомодифицирования, однако при более глубокой термообработке может наблюдаться «прокалка» пор шпона от продуктов разложения, приводящая к некоторому увеличению водопроницаемости.

В третье главе представлены результаты экспериментальных исследований основных свойств образцов фанеры, созданных на основе термически модифицированного шпона. Целью экспериментальных исследований является изучение изменения прочностных характеристик термофанеры вследствие изменения физико-химических и физико-механических свойств шпона при воздействии высокотемпературной термической обработки.

Полученные образцы фанеры были исследованы на водопоглощение. На рис. 6 приводятся графики изменения влажности образцов фанеры, изготовленной из листов шпона с различной степенью термомодифицирования, в процессе выдержки в дистиллированной воде в течение 50 суток. Анализ графиков показывает, что фанера, изготовленная из термообработанного шпона с большей степенью термомодифицирования, обеспечивает снижение водопоглощающей способности.

Для обоснования природы сохранения прочности была проведена сравнительная оценка предела прочности фанеры при сжатии, при статическом изгибе, при растяжении и при скалывании по клеевому слою в сухом виде и после кипячения в воде в течение 3 часов.

На рис. 7. приведены результаты испытаний фанеры, изготовленной из шпона с различной степенью термомодифицирования и склеенная с помощью клея на основе смолы марки КФМТ-15 при горячем отверждении.

Анализ полученных результатов свидетельствует о снижении предела прочности на сжатие фанеры в сухом состоянии с повышением степени термообработки шпона.

При этом существенное снижение прочности наблюдается при использовании шпона со степенью термомодифицирования свыше 0,7. В то же время для образцов фанеры, из шпона со степенью термомодифицирования в интервале 0,5-0,7 наблюдается повышение сопротивляемости процессу кипячения по сравнению с обычной фанерой.

"еж.

Мпа 120 115 110 106 100 95

Э° 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Q

Рис. 7. Изменение прочности при сжатии образцов фанеры в зависимости от степени термомодифицирования шпона.

Результаты исследования предела прочности и модуля упругости при статическом изгибе фанеры представлены на рис. 8. Как видно из графиков, для фанеры в сухом состоянии наблюдается некоторое повышение предела прочности при статическом изгибе с увеличением степени термомодифицирования до 0,4; фанера со степенью термомодифицирования шпона 0,6 сопоставима по пределу прочности с обычной фанерой. Дальнейшее повышение степени термообработки приводит к значительному снижению прочности фанеры.

Рис. 6. Изменение влажности образцов фанеры, изготовленной из листов шпона с различной степенью термомодифицирования, в процессе выдержки в дистиллированной воле.

Рис. 8. Изменение прочности и модуля упругости при статическом изгибе образцов фанеры в зависимости от степени термомодифицирования шпона

Результаты исследований фанеры на растяжение показали отсутствие влияния термообработки на данный показатель до степени термомодифицирования шпона 0,7. При более высокой степени термомодифицирования, происходит резкое снижение прочности, наиболее отчетливо это наблюдается для фанеры в сухом состоянии.

Для исследования фанеры на скалывание по клеевому шву были подготовлены образцы склеенные клеями на основе смол КФМТ-15 и СФЖ-3014. Для обоих видов клеев наблюдалось снижение прочности фанеры, изготовленной из термообработанного шпона с высокой степенью термомодифицирования (более 0,8). При этом разрушение данного вида фанер происходило в основном по древесине, что говорит, о значительной деструкции древесного материала при данной глубине термообработки. В то же время прочность на скалывание фанеры, изготовленной из шпона со средней степенью термомодифицирования, практически не изменилась по сравнению с обычной фанерой.

Таким образом, в результате проведенных исследований механических характеристик фанеры из термомодифицированного шпона установлена рациональная степень термообработки древесного материала в интервале 0,5-0,6 - для фанеры общего назначения, обеспечивающая высокую влаго- и водостойкость при сохранении основных прочностных параметров. В то же время в зависимости от сферы применения разработаны частные рекомендации: например, для создания облицовочных стеновых панелей рекомендуется степень термомодифицирования шпона 0,3; для напольных покрытий -0,6.

В результате обработки экспериментальных данных получены математические выражения, характеризующие изменение показателей прочности фанеры в зависимости от степени термомодифициования шпона: при сжатии

°СЖ сух =-212,7-(24 + 383,64 - д3 - 235,93 - + 48,419 • д +116,83 (3)

<»« =-5,8275-(24-84,693-<33+71Д54-д2-0,51б7-О + 107,33 (4)

при статическом изгибе

Ощгсух = -160,26-д4 +335,8бд3 - 287,27-д2 + 96,84-д+60,83 (5)

^«гхип =-2И,25д4 + 463,19.д3 -432,24-д2 +196,33^+29,08 (6)

при растяжении

V,« =-62,024.д3 + 77,15д2-28,8.д + 64,1 (7)

Ораст ИШ =-42,249-д" +64,394.д3 -33,406-д2+6,73д+53,583 (8)

при скалывании по клеевому шву (для клея на основе смолы марки КФМТ-15)

о«сух=-5^б5д4+10,682 д3-7,08-д2+1,755-0 + 1,825 (9)

Оскжш =4,72-д4 -10,493 д3 + 6,8473-д2 — 0,9662-д +1,5917 (10)

Одним из самых существенных показателей фанерной продукции является класс эмиссии свободного формальдегида. Для того чтобы отнести фанеру к тому или иному классу эмиссии, необходимо определить содержание формальдегида в продукции. Определение содержания свободного формальдегида полученных клееных материалов проводили согласно ГОСТ 27678-88, который устанавливает перфораторный метод определения данного показателя. Полученные экспериментальные значения представлены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что фанера, изготовленная из термомодифици-рованного шпона соответствует по классу эмиссии свободного формальдегида фанере общего назначения, а по водопоглощению влагостойкой фанере марки ФСФ. Таким образом, можно утверждать, что фанера изготовленная, из термомодифицированного шпона является влагостойкой, но при этом

может использоваться внутри помещения, что не допустимо для фанеры ФСФ согласно ГОСТ 3916.1-96.

Табл. 1

Наименование показателя Влагостойкая фанера марки ФСФ Обычная фанера общего назначения марки ФК Фанера изготовленная из ТМ шпона (0 = 0,7)

Водопоглощение за 120 ч, % 46 85 49

Содержание формальдегида на 100 г. абсолютно сухой массы фанеры, мг 20 16 17

В четвертой главе представлена промышленная апробация результатов исследований процесса термического модифицирования шпона в производстве влагостойкой фанеры.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс получения термомодифициро-ванного шпона и изготовления из него влагостойкой фанеры. Данный процесс был апробирован в условиях предприятия ООО «Поволжский фанерно-мебельный комбинат» (г. Зеленодольск).

Кроме того, на предприятии были проведены исследования по комбинации шпона с целью удешевления производства фанеры при сохранении ее влаго- и водостойкости:

- влагостойкая трехслойная фанера по эксплуатационным характеристикам должна состоять из всех слоев модифицированного шпона;

- для многослойной фанеры установлена возможность чередования слоев обработанного и необработанного шпона, с наружными слоями из термообработанного древесного материала.

В результате промышленных испытаний влагостойкой термофанеры, была выявлена целесообразность разработки аппаратов большой производительности. Решением поставленной задачи стала разработка индукционной камеры термомодифицирования шпона контактным методом. Особенность камеры является возможность свободной усадки шпона, благодаря специальной конструкции плит обеспечивающих размероизменяемость в процессе обработки материала.

Проведенный технико-экономический анализ подтвердил эффективность внедрения в промышленность термомодифицирования шпона для соз-

дания влагостойких видов фанеры, поскольку клееный материал, изготовленный из термообработанных листов древесины, может применяться внутри помещений с высокой влажностью.

В приложении к работе даются результаты статистической обработки полученных данных и акты внедрений, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями.

Основные результаты и выводы

1. Проведен анализ современного состояния теории и практики создания клееных материалов на основе древесины.

2. Проведены исследования по изменению физических характеристик березового шпона в результате контактного термомодифицирования. Установлено, что давление набухания модифицированных образцов шпона уменьшается соответственно увеличению температуры обработки древесного материала.

3. С применением метода полного факторного эксперимента создана математическая модель, позволяющая прогнозировать степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины материала. Анализ уравнений регрессии указал, что основное влияние на степень обработки древесного материала оказывают температура и продолжительность.

4. Экспериментально подтверждено повышение влаго- и водостойкости фанеры на основе термообработанного шпона. Установлено, что фанера, изготовленная из термомодифицированного шпона соответствует по классу эмиссии свободного формальдегида фанере общего назначения, а по влагопоглощению влагостойкой фанере марки ФСФ. Таким образом, фанера из термомодифицированного шпона может применятся внутри помещений с высокой влажностью.

5. В результате проведенных исследований механических характеристик фанеры из термомодифицированного шпона установлена рациональная степень термообработки древесного материала в интервале 0,5-0,6 - для фанеры общего назначения. Разработаны частные рекомендации: для создания облицовочных стеновых панелей рекомендуется степень термомодифицирования шпона 0,3; для напольных покрытий - 0,6.

6. Основные научные и технические результаты диссертационной работы приняты к внедрению в технологический цикл производства специальных видов фанеры на ООО «Поволжский фанерно-мебельный комбинат» (г. Зеленодольск).

Основные обозначения: ш - масса, кг; Т - температура, К; Р - давление, Па; кр -коэффициент водопроницаемости, с; х - текущее время, мин; Q - степень термомодифицирования; U — влагосодержание материала, кг/кг; р - плотность, кг/м ; Е -модуль упругости, Па; а — прочность, Па; 5 - толщина, мм.

Индексы: н - начальный; к - конечный; i - текущий; обр - обработка; наб - набухание; сж — сжатие; изг - статический изгиб; ск - скалывание; раст - растяжение; сух — в сухом виде; кип — после кипячения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сафин, Р.Г. Экспериментальный стенд для исследования процесса прогрева древесных частиц в среде насыщенного пара и явлений, сопровождающих процесс при сбросе давления / Р.Г. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Pi\ Зиатдинов, М.А. Мазохин [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. -2011. -№. 15.-С. 205-209.

2. Зиатдинов, Р.Р. Разработка технологии создания влагостойкой фанеры / Р.Р. Зиатдинов, Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, А.Р. Зиатдинова [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. — 2012. — №. 20. - С. 64-66.

3. Хасаншин, P.P. Повышение эксплуатационных характеристик клееных материалов, созданных на основе термообработанного шпона / P.P. Хасаншин, PP. Зиатдинов [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. -2013.-№. 13.-С. 87-90.

4. Зиатдинов, Р.Р. Влагостойкие клееные материалы на основе модифицированного древесного сырья / P.P. Зиатдинов, P.P. Хасаншин, Д.Р. Хазиева, К.Р. Кузнецов [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. -2013.-№ 19.-С. 142-144.

5. Заявка на патент № 2012152330/06(083394) РФ. Способ сушки и термовлажностной обработки древесины / Сафин P.P., Хасаншин Р.Р., Зиатдинов Р.Р., Сафин Р.Г. и др.; патентообладатель ООО «НПП «ТермоДревПром»; дата подачи 05.12.2012.

6. Зиатдинов, P.P. Термомодифицирование шпона в производстве влагостойких клееных материалов / Р.Р. Зиатдинов, Р.Р. Хасаншин, P.P. Сафин [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть.— 2013.—№ 3 — С. 14-16.

7. Зиатдинов, Р.Р. Исследование процесса термического модифицирования шпона при производстве декоративной фанеры / P.P. Зиатдинов, Р.Р. Хасаншин, И.А. Валеев [Текст] // Сборник трудов XXVI Международной научной конференции «ММТТ-26». - Саратов. 2013. - № 7. - С. 38-39.

8. Зиатдинов, Р.Р. Создание новых видов специальной фанеры для строительной отрасли / Р.Р. Зиатдинов, P.P. Хасаншин [Текст] II Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и образования». - Москва. 2013. — часть 6. — С. 18-19.

9. Зиатдинов, Р.Р. Математическое моделирование прочностных свойств композиционных материалов, созданных на основе модифицированного целлюло-зосодержащего растительного сырья / Р.Р. Зиатдинов, Р.Р. Хасаншин, Ф.Г. Валиев [Текст] // Сборник тезисов докладов Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технология. Производство - 2013» - г. Салават, 2013. - С. 85-87.

10. Разумов, Е.Ю. Исследование снижения прочности древесины в процессе термического модифицирования / Е.Ю. Разумов, P.P. Зиатиднов, PP. Хасаншин [Текст] // Сборник научных трудов 1-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Лесной комплекс в XXI веке» - Казань, 2013. - С. 56-57.

11. Зиатдинов, Р.Р. Нетрадиционные способы обработки древесных материалов для изготовления влагостойкой фанеры / Р.Р. Зиатдинов, Р.Р. Хасаншин [Текст] // Сборник научных трудов 1-ой Международной научно-практической интернет-конференции <(Лесной комплекс в XXI веке» - Казань, 2013. - С. 58-60.

12. Зиатдинова, Д.Ф. Математическая модель технологического процесса разгрузки котлов, работающих под повышенным давлением / Д.Ф. Зиатдинова, М.А. Мазохин, P.P. Зиатдинов и др. [Текст] // Материалы международной научно-практической конференции «Экология и ресурсе- энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства». Пенза: Приволжский дом знаний, 2010. - С. 85-87.

13. Зиатдинов, Р.Р. Разработка новой технологии получения термически модифицированного шпона / Р.Р. Зиатдинов, P.P. Хасаншин [Текст] // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса». Кострома: ФГБОУ ВПО КГТУ,2013.-С. 70-72.

14. Хасаншин, P.P. Создание влагостойких видов композитных материалов на основе древесины для машиностроительной индустрии / P.P. Хасаншин, Р.Р. Зиатдинов, P.P. Сафин [Текст] // Международная научно-техническая конференция «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы -2013» - Казань, 2013. - С.47-51.

15. Кайнов П. А. Математическое описание процессов тепломассопереноса внутри древесины при ее термомодифицировании / П.А. Кайнов, P.P. Зиатдинов, Е.Ю. Разумов [Текст] // Материалы научной сессии. / КГТУ. - Казань. - 2009. - С. 290.

Соискатель

Р.Р. Зиатдинов

Формат 60x84/16 Тираж 100. Подписано к печати 12.11.2013г.

Печать офсетная. Уел .п.л. 1,00. Заказ i 232.

Издательство КГАУ/420015 г.Казань, ул.К.Маркса, д.65 Лицензии на издательскую деятельность код 221 ЙД №06342 от 28.11.2001 г. Отпечатано в типографии КГАУ 420015 г.Казань, ул.К.Маркса, д.65. Казанский государственный аграрный университет

Казанский национальный исследовательский технологический университет

На правах рукописи

04201454458

ЗИАТДИНОВ РАДИС РЕШИДОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЛАГОСТОЙКОЙ ФАНЕРЫ ИЗ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОГО ШПОНА

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

САФИН Р.Г.

Казань-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................5

Глава I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СОЗДАНИИ

13

ДРЕВЕСНО-КЛЕЕНЫХ МАТЕРИАЛОВ.....................................

1.1. Обзор специальных видов фанеры..................................................................13

1.2. Современный анализ клеев для фанерного производства.... 20

1.3. Снижение токсичности древесно-клееных материалов............28

1.4. Исследование свойств термомодифицированной

древесины..........................................................................................................................................31

Выводы................................................................................................................................................36

Глава II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ШПОНА..........................................................................39

2.1. Экспериментальная вакуумно-контактная установка для термомодифицирования шпона........................................... 39

2.2. Исследование физических свойств

термомодифицированных образцов шпона........................... 43

2.3. Исследование структуры термически модифицированного шпона.......................................................................... 62

2.4. Математическое описание процесса

термомодифицирования шпона........................................... 64

Выводы........................................................................ 70

I

Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФАНЕРЫ, СОЗДАННОЙ НА ОСНОВЕ ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОГО ШПОНА......... 72

3.1. Пилотная установка термомодифицирования

шпона.......................................................................... 72

V

I

3.2. Экспериментальные исследования свойств фанеры, созданной на основе термически модифицированного березового шпона......................................................... 75

3.2.1. Методика получения фанеры, созданной на основе термомодифицированного березового шпона......................... 76

3.2.2. Экспериментальные исследования физических и механических свойств фанеры, созданной на основе термически модифицированного шпона............................... 78

3.2.2.1. Определение физических свойств образцов фанеры...... 78

3.2.2.2. Определение механических свойств образцов фанеры........................................................................ 84

3.3. Инженерная методика расчета физико-механических свойств фанеры............................................................. 108

3.4. Определение содержания свободного формальдегида в фанерных образцах........................................................ 112

Выводы........................................................................ 114

Глава IV. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ШПОНА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВЛАГОСТОЙКОЙ ФАНЕРЫ............................... 116

4.1. Разработка технологического процесса изготовления влагостойких клееных материалов на основе модифицированного шпона............................................... 116

4.2. Результаты опытно-промышленных испытаний образцов фанеры из термомодифицированного шпона.......................... 124

л

1 *

!

4.3. Технико-экономический анализ эффективности технологии термомодифицирования шпона при создании влагостойкой

фанеры........................................................................................................................................................................................134

4.4. Промышленная установка для термомодифицирования

шпона большого формата................................................................................................136

Выводы................................................................................................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНА..............................................................................................................................................140

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................................................................................143

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................161

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.

Известно, что в мире основными потребителями фанеры являются сфера строительства и # обеспечивающее ее производство комплектов деревянных деталей и конструкций для малоэтажных домов. Значительная прочность при малой плотности, сравнительно большая площадь листа, позволяющая выкраивать детали необходимого формата - все эти качества фанеры определили область ее применения как конструкционного материала строительного и поделочного назначения. В настоящее время основные проблемы совершенствования технологии производства фанеры связаны с повышением экологической безопасности процессов, а также получения готового продукта со снижением токсичности, повышения долговечности, с минимальным формоизменяемостью в условиях влажностно-температурных воздействии.

При эксплуатации фанеры в условиях с повышенной влажностью приводит к фомроизменяемости, к потере прочности и биологическим повреждениям. Без специальной обработки фанерная продукция имеет ограниченный срок службы.

Для производства фанеры повышенной водостойкости в России применяются фенолоформольдегидные смолы (ФФС). Однако эти смолы токсичны и фанера на их основе согласно государственным стандартам запрещена к использованию внутри помещений.

При этом, термомодифицированная древесина благодаря изменениям, произошедшим с ней на молекулярном уровне, принимает исключительные качества, как высокая водоотталкиваемость, сниженная гигроскопичность, устойчивость к гниению и воздействию вредителей.

Кроме того, в последние годы активно ведутся исследования в области создания композиционных материалов на основе термомодифицированной измельченной древесины. При этом исследований,

■ .......... ■■ • 6

направленных на повышение влагостойкой фанеры путем термообработки шпона до сих пор не проводилось.

В связи с этим следует считать актуальной задачу исследования процесса контактного термомодифицирования шпона с последующим изготовлением из нее влагостойкой фанеры.

Настоящая работа выполнена при поддержке гранта по программе Старт № 10-4-НЗ.8-0085 «Создание полупромышленной установки по вакуумно-контактному термомодифицированию древесных материалов».

Степень разработанности проблемы.

Проблемам исследования свойств древесины как древесного сырья в производстве влагостойких клееных материалов посвящены многие работы зарубежных и отечественных ученых. Вопросам повышения водостойкости фанеры посвящены работы Е.И. Матюшенковой, P.A. Веселовского, Н.П. Плотникова (Россия); вопросам влияния природных и модифицированных экстрактивных веществ древесины на свойства древесноволокнистых плит сухого формования посвящена работа Г.И. Царева (Россия); вопросам повышения эксплуатационных свойств древесно-конструкционных строительных материалов - работы Л.И. Аминова, И.Х. Наназашвили, С.Д. Каменкова (Россия); вопросам влияния термообработки на физико-механические, эксплуатационные свойства древесины — работы Andreas О. Rapp (Germany), Vincent Repellin (France), занимающегося также вопросами закономерностей изменения цветового решения древесины в процессе термомодифицирования. .....................

Цель и задачи исследования состоят в разработке и обоснование технологии термического модифицирования шпона, с последующим изготовлением влагостойкой малотоксичной фанеры с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Анализ научных основ и технологий совершенствования процесса

производства фанеры, направленных на улучшение эксплуатационных, экологических характеристик и повышения водо- и влагостойкости.

2. Исследование современных технологий в области термического модифицирования древесины.

3. Экспериментальная оценка воздействия контактного термомодифицирования на эксплуатационные свойства и структуру шпона.

4. Разработка математической модели, позволяющей определить степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины шпона.

5. Экспериментальное подтверждение повышения водостойкости образцов фанеры, изготовленных из термомодифицированного шпона.

6. Разработка инженерной методики расчета физико-механических свойств фанеры, изготовленной из шпона в зависимости от степени термомодифицирования.

7. Обоснование экологической составляющей фанеры, изготовленной из термомодфицированного шпона.

8. Промышленная апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования является технология термического модифицирования шпона в производстве фанеры. Объектами исследования являются листы лущеного березового шпона и фанера из листов шпона, прошедшего термомодифицирование.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.

Методологической основой исследования являются результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению степени термомодифицирования березового лущеного шпона в зависимости от температуры, времени термообработки и толщины образа. Теоретической базой исследований являлись работы ученых по исследованию модифицирования древесного сырья в производстве влагостойких клееных

материалов, исследования физико-механических свойств водо- и влагостойкой фанеры и результаты лабораторных испытаний фанеры по проблеме экологической безопасности.

Эмпирическую основу составляли исследования физических и механических свойств объекта обработки, таких как: цветовые характеристики, температура и плотность, водо- и влагопоглащение, пределы прочности на сжатие, на статический изгиб, на растяжение и на скалывание фанеры.

Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие научные результаты:

1. Технология создания влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии.

2. Ресурсосберегающая технология контактного термического модифицирования шпона.

3. Математическая модель, позволяющая прогнозировать степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины древесного материла; - ^ ......................

4. Механизм изменения физических и физико-механических свойств фанеры, изготовленной из термообработанного шпона.

5. Обоснование экологичности влагостойкой фанеры, изготовленной из термомодифицированного шпона.

6. Результаты опытно-промышленной апробации производства влагостойкой фанеры на основе термомодифицированного шпона.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на термомодифицирование шпона с целью получения влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии:

1. Разработана технология создания влагостойкой фанеры с низким классом эмиссии из термомодифицированного шпона.

2. Исследован способ термомодифицирования березового шпона контактным методом.

3. Разработана математическая модель, позволяющая определить степень термомодифицирования шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины материала.

4. Обоснована возможность использования фанеры, изготовленной из термомодифицированного шпона.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Апробация и реализация результатов диссертации.

Основные положения диссертации докладывались на Международных конференциях «ММТТ-26» (Саратов), «Актуальные проблемы науки и образования» (Москва), «Наука. Технология. Производство - 2013» (Салават), «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома), «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2013» (Казань); на 1-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Лесной комплекс в XXI веке» (Казань); на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (Казань).

Разработана и внедрена в производство в ООО «НЛП «ТермоДревПром» (г. Казань) пилотная установка для термического

модифицирования шпона большого формата.

Разработана и принята к внедрению в технологический цикл производства клееных материалов процесс получения термомодифицированного шпона и изготовления из него влагостойкой фанеры ООО «Поволжский фанерно-мебельный комбинат» (г. Зеленодольск).

Теоретические положения создания влагостойких клееных материалов на основе термомодифицированного древесного сырья и математическая модель определения степени термообработки шпона, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Система инженерного моделирования и проектирования деревянных зданий и сооружений» и «Строительная механика и строительные материалы».

Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд'для исследования процесса термического модифицирования шпона, выполнены эксперименты и проведены опытно-промышленные испытания. Автором была разработана и смонтирована пилотная установка для термомодифицирования тонких листов древесины большого формата. Автор разработал способ термической лущенного шпона.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и подана заявка на патент РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведено исследование современных технологий создания различных видов фанеры, в результате которого выявлено, что возможность получения влагостойкой фанеры без химической обработки является причиной повышенного интереса к термообработке древесины. Представлены обзор клеев для производства фанерной продукции и их основные свойства. Приведены современные представления о теоретических основах процесса термомодифицирования древесины.

Во второй главе описан разработанный и созданный экспериментальный стенд по контактному термомодифицированию шпона, представлены объекты и методики исследования. Проведены исследования физических, физико-механических свойств термомодифицированных образцов шпона. Разработано математическое описание процесса термомодифицирования березового лущеного шпона в зависимости от температуры, времени обработки и толщины материала. Математическая модель исследуемого процесса была построена при помощи полных факторных планов второго порядка.

В третьей главе представлена пилотная установка для термообработки шпона большого формата. Также представлены результаты экспериментальных исследований основных свойств фанеры, созданной на основе термически модифицированного шпона. Обоснована экологическая составляющая фанеры, изготовленной из термомодифицированного шпона.

Четвертая глава посвящена промышленной реализации результатов исследований термического модифицирования шпона при производстве влагостойкой фанеры. Исследуемый способ был апробирован на ООО «Поволжский фанерно-мебельный комбинат» г. Зеленодольска. Представлены результаты опытно-промышленных испытаний образцов фанеры на основе термомодифицированного шпона, проведенные лабораторией поволжского фанерно-мебельного комбината

В приложении к работе приведены результаты статистической обработки полученных данных и результаты расчетов режимных параметров исследуемых процессов термообработки в зависимости от степени термомодифицирования, представлены акты-внедрения.

На всех этапах работы в качестве научного консультанта принимал участие кандидат технических наук, доцент Хасаншин P.P.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СОЗДАНИИ ДРЕВЕСНО-КЛЕЕНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Увеличение объемов деревянного домостроения определило востребованн