автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Технология трубчатых изделий на основе модифицированной древесноклеевой композиции с использованием винтового пресса

} ' ЛЕкиНГРАДСКМ ордена ЛЕНИНА ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ им.С.М.КИРОВА

На правах рукописи

СИДОРЕНКО Владимир Дмитриевич

ТЕХНОЛОГИЯ ТРУБЧАТЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСНОКЛЕЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИНТОВОГО ПРЕССА

05.21.03. Технология и оборудование химической переработки древесины, химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена на ка/^едре древесных пластиков и плит Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии имени С.М.Кирова.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - ■ доктор технических наук,

профессор ЭЛЬБЕРТ A.A.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ'

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

кандидат технических наук, доцент ГАМОВА H.A.

доктор технических наук, профессор КАЛИНИН H.H.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ШВАРЦМАН Г.М.

ВВДУ1ЦЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ - УкрНИИМОД

Защита диссертации состоится " '1<Р " X Ц 199 С года в " П^" часов на заседании специализированного Совета Д.063.50.02 в Ленинградской лесотехнической академии (Институтский пер., 5, 2-е учебное здание, библиотека кафедры целлюлозно-бумажного производства).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, доцент

'Пономарев Д.А.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

с/-»

:ЗТ

I, о' 1>

i. 'г!, .isms Отдел ссертаци-и 1

Актуальность темы. Комплексной программой экономического и социального развития СССР на период до 2000 года предусмотрено ускорить создание и внедрение прогрессивной техники, ресурсосберегающих технологий, новых видов конструкционных материалов. Применение эффективных заменителей деловой древесины, близких к ней по потребительским свойствам, поиск новых способов получения материалов будет способствовать рациональному использованию лесных ресурсов и росту производительности общественного труда. Потребность в таких погонажных материалах, как брусья и брусковые детали из древесины, удовлетворяется не полностью из-за дефицита пиловочного сырья. Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является производство ' прессованных изделий из измельченной древесины, сырьем для которых служат низкокачественная древесина и отходы деревообрабатывающих производств. Известные технологические процессы для получения погонажных изделий имеют недостатки, связанные с малой пластичностью прессмассы, что ухудшает формуемость изделий, и недостаточной водостойкостью материала. В настоящей работе предложена технология получения нового конструкционного материала - трубчатого бруска - в винтовом прессе непрерывного действия с улучшенными физико-механическими свойствами.

Цель и задачи работы. Основной целью данной работы является научное .обоснование и разработка технологии трубчатых изделий с использованием модифицированного древесного наполнителя и композиционного связующего вещества. Для повышения пластичности древесноклеевой композиции (ДКК) предлагается термогидролитическая обработка древесных частиц. Использование композиционного связующего позволит улучшить физико-механические свойства получаемых изделий.

В связи с этим были определены следующие задачи исследования:

- изучить влияние основных технологических факторов на ■дэоцесс прессования и физико-механические свойства трубчатого 5руска;

- исследовать влияние гидротермической и гидролитической обработки на свойства древесного наполнителя, выбрать условия модификации древесных частиц, повьшшмцих пластичность ДОС;

- исследовать процесс отверждения композиционного связующего (КС), состоящего из карбамидоформальдегидного олигомера (Щ)), совмещенного с фенолоспиртами (ФС);

- разработать технологию нового конструкционного материала - трубчатого бруска повышенной водостойкости в винтовом прессе с использованием модифицированной ДКК.

Научная новизна работы. Теоретически и экспериментально обоснована гидротермичеекая (ГТО) и гидролитическая (ГО) обработка древесного наполнителя с целью повшения пластичности ДКК и увеличения водостойкости нового конструкционного материала - трубчатого бруска. Установлено, что при ГТО и ГО создаются, условия для протекания гидролитических процессов, приводящих к накоплению низкомолекулярных веществ, повышающих пластичность древесного наполнителя и его химическую активность. Изучен процесс отверждения КС, содержащего КФО и ФС в равномассньв количествах. Предложена каталитическая система отверявдения-КС, включающая в качестве катализатора сульфат алюминия, значительно ускоряющая и углубляющая процесс отверждения. Установлено, что энергия активации КС близка к энергии активации карбамвдоф мальдегидного связующего. Использование КС способствует повыше пластичности полимерной пленки и увеличению адгезии в системе древесина-связующее. Рассмотрены факторы, влияющие на пластичность ДКК и свойства получаемого трубчатого бруска. Показана возможность связывания свободного формальдегида, выделяющегося из КС.

Практическая ценность. Разработана технология нового конструкционного материала - трубчатого бруска - с использование: модифицированного наполнителя и КС, что позволило повысить пластичность ДОК и улучшить физико-механические свойства мате риала. Изучено влияние основных технологических факторов на свойства трубчатого бруска. Определены режимы ГТО и ГО древес ных частиц. Подобран катализатор для КС. Показано, что расте-каемость ДКК увеличивается в 3-4 раза, водостойкость изделий

повышается в 4-5 раз. Результаты лабораторных исследований подтверждены при испытании трубчатого бруска, изготовленного по разработанной технологии в ПДО "Киевдрев". Экономический эффект от изготовления и использования трубчатого бруска повышенной водостойкости в производстве мебели составляет 32 руб. 78 коп. на куб.м бруска.

На защиту выносится. Способ повышения физико-механических показателей конструкционного материала - трубчатого бруска, получаемого в винтовом прессе; научное обоснование модификации древесных частиц с целью повыпения их пластичности; научное обоснование модификации карбамидоформальдегидного связующего с целью повышения водостойкости и прочности трубчатого бруска; технология получения трубчатого бруска с улучшенными физико-механическими свойствами на основе модифицированной ДКК.

Апробация работы. Результаты работы доложены на конференции "Основные направления ускорения научно-технического прогресса в лесной и деревообрабатывающей промышленности в ХП пятилетке" (Киев, 1986), на Республиканском семинаре "Снижение токсичности древесных материалов" (Киев, 1990) и на научно-технических конференциях Ленинградской лесотехнической академии 1988-1990.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи и получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Содержание работы изложено на 141 странице машинописного текста, включая 21 таблицу и 18 рисунков. Дис-¡ертация состоит из 5 глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 106 наименований, и приложения на 15 •/границах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Изучение способов пластификации древесноклеевой композиции

Анализ имеющихся в литературе данных показал, что в СССР за рубежом активно ведутся работы по изысканию эффективных пособов для получения конструкционных материалов из измель-

ценной древесины. С целью получения нового конструкционного материала - трубчатого бруска, был создан винтовой пресс непрерывного действия (рисЛ). При отработке технологии получения трубчатого бруска был установлен существенный недостаток - значительное трение между поверхностью винта и ДНК, следствием чего является перегрев и быстрый износ винта. Так как винт является основным рабочим органом этого способа прессования, то величина трения между ег0 поверхностью и ДКК зависит от количества прессуемой ДОС и ее пластичности.

В работе использовали карбамидоформальдегидные смолы КФ-МГ, КФ-ЫТ-БП, КФ-МТ-15, фенолоспирты марки "Б", а также сульфат алюминия и хлорвд аммония.

Предварительными исследованиями установлено, что основными технологическими факторами, влияющими на развитие релаксацис ных процессов, происходящих при прессовании в винтовых прессах, являются влажность прессыассы, температура и скорость прессования.

Для определения факторов, оказывающих существенное влияние на процесс прессования бруска, был проведен полный факторный эксперимент 23, по результатам которого получены уравнения регрессии. Расчет коэффициентов регрессии проведен с использованием ЭВМ ЕС 1035.

£ дар = 26,47 - 0.0687Т - 17.875К + 0,00578Т\У - 0,9818М + + 0,05ТЫ

Р = 891,9 +■ 4.0015Л/ - 235,63Ы

6,33 + 0,1833Т + 128,8И - 0.5365ТЫ

I = 4,999 + 0,3163^ + 22,085и - 1,4438Ми ,

Л л л а

где О изр» Р. ^ , 2 - предел прочности при статическом изгибе, плотность, водопоглощение, величина тока, потребляемого приводом винта;

Т - температура прессования,°С;

влажность прессыассы, %\ Ы - скорость прессования, и/мин.

Таким образом, увеличение температуры прессования способ ствует повышению прочности материала и снижению водопоглощени при высоких скоростях прессования. Влага, выполняя роль плас-

1 - питатель

2 - привод винта

3 - распределительное ч устройство

4 - упорный подшипник

5 - уплотнитель

6 - корпус

7 - БИНТ

8 - система обогрева

Рис.1. Пресс винтовой

тификатора, снижает жесткость древесных частиц, что позволяет получить при тех же условиях.более плотный материал и за счет пластификации ДКК снизить нагрузку на винт. Дальнейшее повышение влажности ДКК невозможно для данного способа прессования. Увеличение скорости прессования уменьшает предел прочности при статическом изгибе трубчатого бруска и увеличивает нагрузку на винт.

Одним из методов модификации наполнителя, с целью повышения пластичности, являлась обработка древесных частиц насыщенным паром в автоклаве в течение I часа при температурах 120--180°С. Химический анализ модифицированного наполнителя показал (табл.1), что происходит накопление низкомолекулярных продуктов термогидролитического расщепления, главным образом, легкогидролизуемых полисахаридов древесины. Установлено повы-

Таблица I

Результаты химического анализа древесины после ГТО

Наименование компонентов

Порода древесины

Сосна

Осина

без . температура ГТО, 6 тешетту-

обра- °С - обра- РаоМи'

^ . . ____ ______

ботки

140

160

ботки ■

140

Вещества,эксраги-руемые этиловым эфиром, % 2,68 2,57 2,49 1,38 1,06

Вещества, растворимые в горячей воде, % 3,63 5,51 .11,46 3,82 8,80

Редуцирующие вещества, % 0,41 0,38 0,35 ' 0,40 0,36

Яегкогидролизуемые полисахариды, % 15,20 14,49 12,66- 15,45 14,76

Лигнин, % 29,79 31,38 32,59 27,75 29,95

Целлюлоза, % 41,25 40,49 38,71 44,20 42,77

шение пластичности наполнителя. Кроме того, снижение величин! рН водных вытяжек модифицированной древесины до 4-4,5 может

оказывать положительное влияние на процесс отверждения связующего. П повышении пластичности древесного наполнителя свидетельствуют термомеханические кривые (ТМК) после ГТО. Как показали результаты испытаний, ГТО древесного наполнителя в течение I часа при температуре 140°С (для древесины осины) и 160°С (для древесины сосны) позволяет увеличить растекаемость ДКК в 1,6 раза и обеспечивает снижение водопоглощения готовых образцов в 2,3 - 2,7 раза.

Другим методом модификации наполнителя, исполБзованным в данной работе, является обработка древесных частиц при нормальном давлении (температура 70-90°С) раствором серной кислоты 0,5-1,5?? концентрации. ГО также приводит к накоплению ниэ-комолекулярных веществ, растворимых в горячей воде, образующихся в результате термогидролитического расщепления легкогидро-лизуемых полисахаридов. Этот процесс углубляется при прессовании древесных частиц. Данные (табл.2) показывают, что эти вещества способствуют процессу склеивания, их удаление ухудшает

Таблица 2

Влияние свойств наполнителя на свойства пластиков (содержание КФО - 15%)

Наполнитель

Коли- Значе-чество ние

Показатели физико-механических свойств

раство- рН вод-Плот- Ц^^ос- В°Д°П0Г-римых ных ность.ти при лощение веществ,вытя- кг/м3 £омТизги- за 24 ч' % жек бе, МПа %

Исходная древесина

Древесина после ГО

Древесина после ГО и удаления водо-рястворимых веществ

4,10 7,82

5.6

3.7

1170 ИЗО

15,7 17,6

0,35 5,5 1150 12,2

74,5 35,7

84,9

физико-механические свойства пластика. Термомеханический анализ свидетельствует о том, что пластическая деформация у модифицированной древесины начинается при температурах 130-160°С,

в то время как у немодифицированноЯ древесины - при 170-190°С. Было установлено, что продолжительность ГО влияет на свойства пластиков, изготовляемых из модифицированного наполнителя, и обработка более 3-х часов, очевидно, нецелесообразна. Таким образом, ГТО и ГО обработка древесного наполнителя изменяет физические, структурные и химические.свойства древесины, что увеличивает пластичность и реакционную способность древесного наполнителя, влияет на процесс отверждения связующего вещества и создание контакта на границе древесина-полимер.

2. Исследование физико-химических свойств композиционного связующего на основе карбамидоформальдегидного олигомера и фенолоспирта

Так как задачей работы было повышение водостойкости изготавливаемого бруска, то в данном исследовании выбрали модификацию Ж) фенолоспиртами. Незначительное время пребывания ДКК в горячей зоне винтового пресса вызывает необходимость использования катализатора с целью интенсификации процесса прессования. Было изучено влияние количества сульфата алюминия на время отверждения КС с соотношением компонентов КЮ:ФС 50:50. Наибольшее снижение времени отверждения КС наблюдается при использовании в качестве катализатора сульфата алюминия в количестве 4%. Одной из важных задач при разработке технологии получения трубчатого бруска на основе композиционного олигомера является изучение процесса его отверждения. При определении температурных зон этого процесса с помощью дериватографии установлено (рис.2), что отверждение КС протекает в интервале температур 5б-147°С. С максимальной скоростью поликонденсация КС происходит при температуре 104-П7°С. Рассчитанные значения энергии активации процесса отверждения олигомеров составляют (в кДк/моль): Ш - 73,1; ФС - 163,7; КС - 90,7. Полученные данные показывают, что условия отверждения КС, содержащего в качестве катализатора сульфат алюминия в количестве 425, идентичны условиям отверждения КФО.

Установлено, что количество метилольных групп и свободного формальдегида в КС, отвержденного с использоьанием в качестве катализатора сульфата алюминия, ниже чем в Ш), что свиде-

тельствует о связывании свободных метилольных групп.

0бра30вание более плотной структуры указывают данные полученные при определении динамического модуля сдвига^ш-денных композиций резонансным методом (таб *3). зГение эт^ сказателя для КС вьше, чем карба^оформальде« с«Г

лы.

52) 100 450 200 250 Температура, "С

Рис.2. Дериватограммы связующего, содержащего 4% сульфата алюминия в качестве катализатора: I - композиционного, 2 - карба- ' мидоформальдегидного.

Применение фенолоспиртов способствует образованию более прочных к воздействию воды комплексов КС. Механизм отвервдения композиционного олигомера, по-видимому, состоит в следующем: под воздействием тепла и кислотности среды, создаваемой отвер-дителем, происходит конденсация метилольных груш ФС с мети-лольными группами НВО, а также с амино-, имино- и метилольньми группами соседних макромолекул и активными атомами водорода молекулы ФС, что способствует образованию поперечных связей

Таблица 3

Зависимость величины модуля сдвига от вида связующего

Связующее Динамический модуль сдвига,

^ х Ю8 , Н/м2

Ш&-МТ-15 4,20

К5-МТ-15 с 1% ЩС1 5,56

КМТ-15 : ФС

50 : 50 7,28

мевду макромолекулами К®), а также мевду молекулами ФС. Небольшой молекулярный вес ФС и-наличие функционально активных групп может способствовать повыяению пластичности пленки полимера, обрадовавшегося на поверхности частиц.

3. Разработка технологии трубчатого з'руска на основе модифицированной древесноклеевой композиции

Исследовали влияние ПО на растекаемость ДКК на основе КС. Из полученных данных (табл.4) можно сделать вывод, что предварительная ПО древесных частиц позволяет увеличить растекаемость ДКК. Растекаемость ДКК на основе КС и обработанных древесных частиц увеличивается в 3-4 раза по сравнению с контрольными образцами.

На основании проведенных экспериментальных исследований разработали принципиальную технологическую схему производства трубчатого бруска на основе модифицированной ДКК. Реализация предлагаемой технологии в промышленных условиях может быть осуществлена с использованием действующего оборудования цехов по производству древесностружечных плит. С целью проверки разработанной технологии в промышленных условиях в цехе древесностружечных плит объединения "Киевдрев" осуществлен выпуск опытной партии трубчатого бруска на винтовом прессе. Полученный трубчатый брусок подвергли испытаниям в соответствии с ТУ

Таблица 4

Влияние ГТО древесного наполнителя на растекаемость ДКК на основе композиционного связующего

Связующее Порода Обработка Толщина диска 1 хЮ"3, Приведенный диаметр диска м ^ х10-3 м , м Модуль сдвига &,МПа

Сосна Исходная 3,18 63,3 1,84

КФ-МТ После ГТО 2,53 70,6 1,И

Осина Исходная 3,14 63,7 1,79

После ГТО 2,53 70,9 1,12

Сосна Исходная 2,36 73,5 0,95

КФ-МТ: После ГТО 1,79 84,4 0,51

: ФС 50:50 Осина Исходная 2,32 74,2 0,91

После ГТО 1,88 82,8 0,57

ОП 13-5421635-21-1-87 "Брусок трубчатый", результаты испытаний приведены в табл.5. Проведены испытания трубчатого бруска на токсичность и получено заключение ВШШГИНТОКС о возможности использования отого материала в жилых помещениях.

Таким образом, использование предлагаемой технологии про-извбдства трубчатого бруска в винтовом прессе непрерывного действия позволит повысить водостойкость бруска в 3,0-4 раза, прочность в 1,5 раза, снизить содержание свободного формаль-дегдца в изделии. Повышение пластичности ДКК привело к уменьшению нагрузки на винт на 30-35%, что повысило его износостойкость.

Таблица 5

Влияние модификации ДКК и скорости прессования на показатели физико-механических свойств трубчатого бруска

Скорость прессования, м/мин

Наименование показателей

0,4

0,6

связую- композицион- связую- композицион-

щее ное связую- шее ное связую-

КФ-МТ- щее, напол- КФ-МТ- щее, напол-

^15, нитель -15, нитель

напол- после напол- после

нитель __нитель

без обработки ГТО ГО без обработки ГТО ГО

Плотность,кг/м3 840 886 850 812 854 865

Предел прочности при статическом изгибе, МПа 11,3 15,8 14,0 10,5 14,4 13,2

Водопоглощение за 24 часа,% 58,5 12,8 13,6 61,4 16,2 18,0

Величина потребляемого тока,А 12 8 9 14 9 II

Содержание свободного формальдегида по методу Перфоратор", мг/100 г бруска 16 10 12 19 13 14

ВЫВОДЫ

I. Разработан и обоснован способ модификации ДКК, заклю чающийся в предварительной гидротермической или гидролитичес кой обработке наполнителя и использовании композиционного ев зующего на основе совмещения карбамидоформальдегидного олигс мера с фенолоспиртами с целью повышения пластичности ДКК и

водостойкости трубчатого бруска, получаемого на винтовом прессе.

2. Установлено влияние технологических факторов на процесс прессования в винтовом прессе непрерывного действия. Влага, выполняя роль пластификатора, снижает жесткость древесных частиц, позволяет получить при тех же условиях более плотный материал и за счет пластификации ДКК уменьшает нагрузку на винт. Скорость прессования существенно влияет на развитие релаксационных процессов в винтовом прессе. Увеличение скорости прессования уменьшает предел прочности при статическом изгибе трубчатого бруска и увеличивает нагрузку на винт.

3. При изучении свойств модифицированного наполнителя установлено, что при ГТО в результате отщепления органических кислот создаются условия протекания гидролитических процессов, приводящие к накоплению низкомолекулярных веществ, снижению кесткости структурных элементов древесины.

4. Разработаны оптимальные условия ГТО и ГО древесного на-толнителя. Определено, что наиболее эффективна гидротермичес-1ая обработка древесных частиц при температуре 160°С в течение

[ часа и гидролитическая обработка 1%-ным раствором серной гаслоты в течение 3-х часов при температуре 80-90°С.

5. Результаты физико-химических исследований показали эффективность использования композиционного связующего, состояло из карбамидоформальдегидного олигомера и фенолоспирта в ^отношении 50:50 массовых частей и содержащего в качестве от-юрдителя 4% сульфата алюминия. Полученное композиционное свя-|ующее отверждается в интервале температур 5б-147°С и имеет >нергию активации 90,7 кДж/моль, то есть закономерности процес-:а отверждения композиционного связующего близки к отверждению :арбамидоформальдегидных олигомеров.

■ 6. Показано, что использование модифицированной ДКК спо-обствует увеличению ее пластичности, растекаемость увеличива-тся в 3-4 раза.

7. Разработана технология производства трубчатого бруска винтовом прессе на основе модифицированного наполнителя и омпозиционного связующего, промышленная проверка данной тех-ологии дала положительные результаты и подтвердила данные ла-ораторных исследований. Проведены испытания трубчатого бруска

на токсичность и получено заключение ВНИЙГИНТОКС о возможности использования этого материала в жилых помещениях. Прочность изделий увеличивается в 1,4-1,5 раза, водостойкость в 3,0-4 раза. Технология рекомендована к внедрению. Использование полученного трубчатого бруска в производстве мебели позволяет получить экономический эффект 260,3 тыс.руб. в год для одного завода,мощностью ЮООО куб.м.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих публикациях:

1. йценко А.Н..Гончаров П.С..Сидоренко В.Д.Совершенствование режимов прессования в цехах древесностружечных плит//Сб.тезисов докл.науч.-техн.конф."Основные направления ускорения научно-технического прогресса в лесной и д/о промышленности в

ХП пятилетке".-Киев, 1985.-C.28.

2. Сидоренко В.Д.Влияние технологических факторов на физико-химические свойства прессованных материалов: Тезисы доклада// Республиканский семинар "Снижение токсичности древесных материалов" . -Киев , 1990 . -с . 5-6 .

3. Гамова И.А., Свдоренко В.Д..Носова М.В..Эльберт A.A. Модификация древесины для получения цельнопрессованных изделий //Лесной журнал.-i960.5.-C.87-9I.

4. A.C.III006I СССР. МКИ В 27 5/08. Устройство для изго-* товления пустотелых брусьев из древесных прессмасс/Семеновский

А.А.,Зверлин В.Г.,Сидоренко В.Д.,Бармашин Е.П.,Бех Ф.С.,Войту-шенко П.А.,Щур A.C.- № 3581892; 3аявл.18.04.83;0публ.18.08.84.

5. A.C.II23237 СССР. МКИ В 27 5/10. Устройство для изготовления трубчатых брусьев из древесных прессмасс/Семеновский А.А.,Сидоренко В.Д.,Щур A.C. .Еармашин Е.П.,Бех Ф.С.,Войтушенко П.А.-К» 3607649; 3аявл.16.06.83; Опубл.04Л0.84.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями посылать по адресу: I940I8, Ленинград, Институтский пер,. 5, Лесотехническая академия им.С.М.Кирова, Ученый совет. /1\

(^hdi

Подписано в печать с оригинал-макета 30.10.1990г М-

Формат 60x90 I/I6.Бумага оберточная.Печать офсетная,Изд.№ 56

Уч.-изд.л.1,0. Печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ №16^ .Бесплатно. _Редак.ционно-издательский отдел ЛТА_

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА. I94ÖI8. Ленинград, Институтский пер.,3.