На правах рукописи

Вахнина Татьяна Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СОСТАВА И ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫХ КОМПОЗИТОВ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2009

Работа выполнена на кафедре механической технологии древесины

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального

образования Костромской государственный технологический университет

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Каравайков Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ибрагимов Александр Майорович

доктор технических наук, профессор

Покровская Елена Николаевна

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

институт строительных конструкций

им. В. А. Кучеренко, г. Москва

Защита состоится л 18 декабря 2009 г. в 10 часов

на заседании диссертационного совета ДМ 212.060.01 в ГОУВПО Ивановский

государственный архитектурно-строительный университет по адресу: 153037,

г. Иваново, ул. 8 Марта, 20, конференц-зал.

Факс: (4932) 30-00-74, E-mail: inf@igasu.ru,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО

Ивановский государственный архитектурно-строительный университет.

Автореферат разослан л 17 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент ________ Н. В. Заянчуковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Древесные композиты являются перспективными конструкционно-отделочными материалами для строительства. Одним из видов композитов являются древесно-стружечные плиты (ДСтП). ДСтП производятся из возобновляемого природного материала - древесины, в том числе отходов ее переработки. Использование древесно-стружечных композитов является одним из рациональных путей использования материалов для строительства и отделки зданий и сооружений, поскольку позволяет снизить издержки на материалы. Производство древесно-стружечных композитов должно способствовать реализации Федеральной целевой программы Доступное и комфортное жилье н - гражданам России.

Существует ряд причин того, что в настоящее время в России отсутствует промышленное производство ДСтП строительного назначения. Согласно ГОСТ 10632Ц77 выпускались плиты марки П-3 строительного назначения. В редакции ГОСТ 10632Ц89 года было внесено изменение, касающееся области использования ДСтП - кроме жилищного строительства, строительства зданий для детских, школьных и лечебных учреждений. Это сократило сферу применения древесностружечных плит в строительстве. Только с 1 января 2009 г. ограничения в области использования ДСтП в строительстве сняты.

Препятствием для развития производства древесно-стружечных композитов для строительства служит ужесточение требований к выделению из них свободного формальдегида. Лучшие отечественные предприятия выпускают плиты класса эмиссии свободного формальдегида Е1, соответствующие российской норме (не более 10 мг/100 г абсолютно сухой плиты). Согласно ГОСТ 10632Ц2007 выделение свободного формальдегида из плит должно соответствовать требованиям европейского стандарта ЕN 312 (Е1 - не более 8 мг). Это требование ставит задачу обеспечения соответствия плитных материалов европейским нормам.

Кроме экологичности, древесно-стружечные композиты для строительства должны обладать повышенной огнестойкостью и/или водостойкостью (в зависимости от назначения). Решение задачи обеспечения соответствия показателей качества плит строительного назначения современным требованиям нормативной документации является одним из условий возможности возобновления использования ДСтП в строительстве.

Данная диссертационная работа решает вопросы получения древесно-стружечных плитных материалов пониженной токсичности с заданным комплексом эксплуатационных свойств, это обуславливает ее актуальность.

Состояние и степень проработанности темы. Анализ источников в области материалов для строительства показал наличие большого внимания к вопросам использования древесных композитов в строительстве. Вопросами гидрофобизации и повышения огнестойкости древесных материалов занимались Е. Н Покровская, А.А. Эльберт, М. В. Цветков, Ю. Г. Доронин, Н. Е. Николаев и др. Вопросами применения древесно-стружечных плит в строительстве занимались российские ученые: Е.Д. Белоусов, В.Я. Далматов, В.М. Назаров, И.Г. Корчаго, В.М. Хрулев, А.А. Титунин, А.С. Фрейдин, И.Т. Матюшин, М.Г. Мальцев, В.В. Кислый, и др., а также зарубежные исследователи: Э. Хаббард, Т. Мелони, Я. Чижек, В. Клаудиц, Г. Раквиц и др.

Разработка технологии изготовления плит специального назначения для строительства (в био-, атмосферо- и огнестойком исполнении) относится к стратегическим направлениям развития и реализации научно-технической политики в области плитных материалов. Тормозит развитие этого направления высокая эмиссия свободного формальдегида из ДСтП.

Способы решения проблемы снижения токсичности плитных материалов разрабатывались в исследованиях российских ученых: А.Е. Анохина, Ю.Г. Доронина, И.Т. Матюшина, В.П. Кондратьева, Г.С. Варанкиной, А.В. Высоцкого, С.С. Глазкова, В.С. Болдырева, Н.Е. Николаева, В.Г. Белопуховой, С.А. Кротовой и др. Эту проблему решают и зарубежные ученые: Э. Роффаэль, М. Чафер, В. Ванг, Д. Гарднер, М. Бауман и др. Однако решение вопроса снижения токсичности плит, как правило, приводит к их удорожанию.

Технологическим, техническим и экологическим проблемам российского производства строительных плитных композитов уделяется большое внимание в исследованиях ученых. Однако в известных работах задачи совершенствования способов управления показателями, состава и принципов производства ДСтП строительного назначения не решаются системно. Именно это и определило выбор темы данной диссертационной работы.

Объект исследования - плитные строительные материалы из измельченной древесины.

Предмет исследования - экологически безопасные древесно-стружечные композиты строительного назначения.

Цель работы - системная разработка состава и принципов производства древесно-стружечных композитов для строительства с необходимым комплексом эксплуатационных показателей.

Задачи работы:

1. Провести системный анализ проблем использования отечественных ДСтП в строительстве;
2. Разработать теоретическое обоснование управления показателями древесно-стружечных композитов для строительства;
3. Выполнить экспериментальное обоснование для производства ДСтП повышенной водостойкости строительного назначения;
4. Выполнить экспериментальное обоснование состава и принципов производства древесно-стружечных композитов повышенной огнестойкости;
5. Провести экспериментальное обоснование замены хлорсодержащего отвердителя карбамидоформальдегидных смол для древесно-стружечных плитных материалов на более экологически безопасные отвердители;
6. Разработать способы снижения выделения свободного формальдегида для обеспечения экологичности древесно-стружечных композитов;
7. Осуществить практическую апробацию основных результатов диссертационного исследования на предприятии по производству ДСтП.

Методологической основой работы служат методы системного анализа, регрессионного анализа, дисперсионного анализа и математической статистики.

Информационная база исследования включает источники в виде монографической литературы, публикаций в периодической печати, экспресс- и реферативной информации, научных докладов, материалов научных конференций, web-сайтов Интернета.

В основу диссертации положены результаты собственных теоретических и экспериментальных исследований и расчетов.

Научная новизна работы заключается в системном обосновании решения проблемы российского производства древесно-стружечных композитов для строительства на основе комплексного решения задач обеспечения необходимых эксплуатационных показателей. Имеют научную новизну следующие результаты диссертационной работы:

1. Для специальных древесно-стружечных плит на фенолоформальдегидном связующем разработаны регрессионные математические модели зависимости разбухания по толщине и прочности при статическом изгибе от удельной продолжительности прессования, плотности и нормы расхода связующего. Обоснованы рекомендации по производству древесно-стружечных композитов повышенной водостойкости, позволяющие сократить продолжительность прессования до 0,375 мин/мм толщины, отличающиеся от известных способов отсутствием модифицирующих добавок.
2. Теоретически и экспериментально обоснован способ внесения фосфатных добавок - алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) и полифосфатов аммония (ПФА) на стадии осмоления стружки, позволяющий создать более термо- и гидролитически устойчивые композиты.
3. Разработана модель отвержденного связующего с добавкой АБФК, отличающаяся видом поперечных связей пространственной сетки, объясняющая улучшение эксплуатационных показателей композитов.
4. Разработаны регрессионные математические модели зависимости прочности и потери массы при горении, позволяющие управлять показателями плит путем варьирования продолжительности прессования и добавки ПФА на стадии осмоления стружки.
5. Разработаны регрессионные математические модели выделения свободного формальдегида и прочности при статическом изгибе древесно-стружечных композитов от удельной продолжительности прессования, температуры и доли добавки АБФК и ПФА на стадии осмоления стружки, позволяющие управлять показателями прочности плит и эмиссии формальдегида.
6. Разработаны рекомендации по значению технологических факторов процесса производства плит на карбамидоформальдегидном связующем с добавкой АБФК с эмиссией свободного формальдегида менее 8 мг/100 г абсолютно сухой плиты, что соответствует требованиям российской и европейской нормативной документации.

Практическая значимость работы заключается в разработке технологических рекомендаций для производства древесно-стружечных композитов строительного назначения с необходимыми эксплуатационными показателями. Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на ОАО Фанплит, г. Кострома.

Теоретические положения производства древесно-стружечных композитов и результаты экспериментальных исследований диссертационной работы используются в процессе преподавания и изучения учебных курсов Технология композиционных материалов, Технология полимеров, Технология клееных материалов и древесных плит, Основы строительного дела. Основные положения работы нашли отражение в ходе выполнения госбюджетных работ 5.7 - БФ - 04, 4.7 - БФ - 07 Использование ресурсосберегающих технологий в производстве древесных композитов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на международных научно-технических конференциях, проходивших в КГТУ, г. Кострома в 2002, 2004 гг.; на всероссийских научно-технических конференциях в ВоГТУ, г. Вологда, 2004, 2007 гг.; на всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов в УГЛТУ, г. Екатеринбург, 2005 г.; на международных научно-технических конференциях в БГТА, г. Брянск, 2006, 2007 гг.; на научно-практической конференции в ДВГТУ, г. Владивосток, 2007; международной научно-технической конференции Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленного региона (Кострома, КГТУ, 2006, 2008 г.г.), на расширенном заседании кафедры производства строительных материалов ИГАСУ, 2009 г.

Публикации. Список публикаций автора по теме диссертационного исследования включает 14 работ общим объемом 3,09 п.л., в том числе монографию объемом 0,8 п.л. и 2 статьи объемом 0,8 п.л. в журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, содержащих 156 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 48 таблиц, заключения, библиографического списка, а также 12 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта научная новизна работы, ее значимость для науки и практики. Приведены основные положения, выносимые на защиту, содержатся данные о месте проведения и апробации работы, структуре и объеме диссертации.

В первой главе проведен анализ состояния теории и практики производства и проблем использования ДСтП в строительстве. Во второй половине ХХ века в нашей стране ДСтП использовались в строительстве, однако при этом не всегда достигался положительный эффект. Из-за случаев коробления, разбухания плит по кромкам, отслоения отделочного слоя была отмечена необходимость повышения водостойкости плит для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик. Широко использовались в нашей стране ДСтП для устройства перегородок и обшивки стен. В условиях эксплуатации внутри помещения ДСтП имеют коэффициент теплопроводности (0, 06Е0,11) Вт/м*К. Однако при использовании для данных целей ДСтП общего назначения не учитывалось то, что при повышении влажности плиты коэффициент ее теплопроводности резко возрастает. Для отделочных работ необходимо применять плиты повышенной водостойкости.

Требования безопасности диктуют также необходимость придания плитным материалам повышенной огнестойкости и снижения эмиссии свободного формальдегида.

Одной из основных проблем, ограничивающих применение ДСтП в строительстве, является отсутствие системного подхода к разработке этих материалов. Необходимо решение следующих задач:

- совершенствование способов управления показателями древесно-стружечных плит строительного назначения;

- повышение экологической безопасности древесно-стружечных плитных строительных материалов и обеспечение соответствия выделения свободного формальдегида из них европейским требованиям к классу эмиссии Е1;

- использование плитных материалов, изготовленных без применения хлорсодержащих отвердителей (имеющих, предположительно, канцерогенное действие).