Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
МАТЮШЕНКОВА ЕКАТЕРИНА ИВАНОВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ФАНЕРЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПУТЕМ МАСЛОТЕРМООБРАБОТКИ
05.21.05 ЦДревесиноведение, технология и оборудования деревопереработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2012 Диссертационная работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С.М. Кирова.
Научный консультант: Чубов Алексей Борисович, кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Черных Александр Григорьевич, доктор технических наук, профессор Багаев Анатолий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент
Ведущая организация: ООО Центральный научноисследовательский институт фанеры
Защита диссертации состоится л28 марта 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С.М. Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер.5, главное здание, зал заседаний).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета.
Автореферат разослан л17 февраля 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного Совета А.Р.Бирман
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Увеличение объемов малоэтажного жилищного строительства определило востребованность плитных материалов из древесины, в частности фанеры. Их используют в качестве деталей ограждающих или несущих конструкций. Основные требования, предъявляемые к строительным конструкциям, - долговечность, минимальная формоизменяемость в условиях переменных влажностно-температурных воздействий и нетоксичность. Как и массивная древесина, фанера гигроскопична, что при эксплуатации приводит к ее формоизменяемости, биопоражениям, потере прочности и упругости в конструкциях. Все эти эксплуатационные изменения минимизируют различными способами и средствами защиты.
В настоящее время химическая обработка, особенно веществами, содержащими соли тяжелых металлов, влияющих на окружающую среду, ограничивается, а в странах Евросоюза - запрещена.
За последние 10-15 лет для защиты древесины от влажностных воздействий широкое применение нашли технологии термической обработки.
Термообработка древесины, приводящая к деструкции гемицеллюлоз, существенно уменьшает разбухание, усушку, повышает биостойкость, теплоизолирующие и эстетические качества. Несмотря на ряд достоинств известных технологий термообработки (Thermowood, Barkett; West-Wood; Bua Pezdyuz; Process Plato, и др.), основным недостатком их применения является снижение физико-механических свойств (при сжатии поперек волокон и растяжении вдоль волокон - на 40 %; при статическом изгибе - на 47 %; при сжатии вдоль волокон - на 18 %) в связи с тепловой деструкцией древесины.
Это делает ее ограниченно пригодной для использования в качестве несущего конструкционного строительного материала.
Одним из способов получения гидрофобного древесного материала при сохранении его прочности является маслотермообработка. Доцентом СПбГЛТУ им. С.М. Кирова Г.И. Царевым установлена эффективность использования модифицированного в определенных температурно-временных условиях таллового масла лиственных пород для получения сверхтвердых ДВП с высокими водоотталкивающими свойствами. Процесс получения таких ДВП состоит в пропитке плит модифицированным талловым маслом с последующей их термообработкой. Результат, достигнутый маслотермообработкой ДВП, относительное однообразие термомеханических воздействий на древесину при изготовлении ДВП и фанеры, позволил предположить эффективность применения этого способа с целью повышения водоотталкивающих свойств.
Для строительства широко используют фанеру из древесины хвойных пород, в частности лиственницы, которая отличается высокой стойкостью к биологическим воздействиям. Придание такой фанере высоких водоотталкивающих свойств обеспечит повышение долговечности и формоустойчивости строительных конструкций с ее применением и расширение областей ее использования.
Приведенные аргументы - востребованность фанеры, в особенности из древесины хвойных пород в строительстве, значимость вопроса защиты от внешних воздействий, недостатки ряда методов защиты, установленная эффективность способа защиты маслотермообработкой - определили актуальность принятого направления исследования.
Цель и задачи исследования. Цель работы - повышение водоотталкивающих свойств фанеры из древесины лиственницы маслотермообработкой при сохранении прочности для расширения области и объемов ее применения в строительстве. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1.Обосновать теоретические предпосылки возможности применения маслотермообработки для повышения водоотталкивающих свойств фанеры.
2.Установить приемлемость маслотермообработки для повышения водоотталкивающих свойств фанеры.
3.Экспериментально подтвердить теоретические предположения возможной природы повышения водоотталкивающих свойств фанеры путем ее маслотермообработки.
4.Обосновать природу сохранения прочности структуры древесины в процессе маслотермообработки.
5.Построить математические модели процесса маслотермообработки, связывающие его параметры с характеристиками водоотталкивающих свойств и прочности фанеры.
6.Обосновать параметры режима процесса маслотермообработки фанеры.
7.Оценить экологичность процесса маслотермообработки и маслотермообработанной фанеры.
8.Оценить ориентировочную долговечность маслотермообработанной фанеры.
9.Произвести расчет экономической эффективности применения маслотермообработанной фанеры.
В результате работы получены результаты, обладающие научной новизной:
1.Установлено, что состояние структуры древесного вещества лущеного шпона, образованной ее разрушением при лущении, и химические изменения, связанные с термической обработкой древесины в процессе изготовления фанеры - гидротермическая обработка сырья, сушка шпона, нагрев пакета при склеивании - обеспечивают протекание реакции этерификации. Доказана достаточность глубины реакции этерификации для повышения водоотталкивающих свойств фанеры при сохранении ее исходной прочности за счет образования адгезионных связей в структуре пакета.
2. Установлены закономерности процесса маслотермообработки фанеры ФСФ из древесины лиственницы и построены математические модели процесса, позволяющие прогнозировать его выходные параметры:
водопоглощение и разбухание; прочность фанеры после обработки.
3. Обоснована экологическая составляющая процесса маслотермообработки и маслотермообработанной фанеры.
4. Предложена методика оценки долговечности и ориентировочно обоснована долговечность маслотермообработанной фанеры.
Практическая ценность работы. Обоснована и экспериментально установлена возможность повышения степени защиты фанеры от влажностных воздействий маслотермообработкой. Результаты этих исследований могут послужить основой для совершенствования данного способа защиты древесины и материалов на ее основе. Разработаны математические модели процесса маслотермообработки, связывающие его параметры с характеристиками разбухания, водопоглощения и прочности фанеры, позволяющие управлять процессом. Обоснованы рациональные технологические параметры режима маслотермообработки. Реализация результатов исследований позволяет уменьшить гидрофобность и, как следствие, формоизменяемость фанеры. Это обеспечивает возможность повышения срока ее службы в конструкциях, расширение областей и увеличения объема использования фанеры в строительстве.
Апробация работы. Основные положения, разработанные в диссертации, отдельные ее разделы были рассмотрены на следующих научно-технических конференциях и форуме: международной научно-практической конференции молодых ученых Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка - 10 ноября 2009 г.; международном молодежном форуме Новая волна-2009 - 4 декабря 2009 г.; международной научно-практической конференции Современные проблемы механической технологии древесины - 26 марта 2010 г.; V Санкт-Петербургской международной конференции, организованной ООО ЦНИИФ - 24 ноября 2010г.;
научно-технической конференции Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии по итогам научно-исследовательских работ 20года - 28 января 2011 г.
Реализация и внедрение результатов работы. Маслотермообработка фанеры по разработанному режиму проведена на предприятии ЗАО Технопарк ЛТА. В результате установлено, что маслотермообработка по разработанному режиму обеспечивает повышение водоотталкивающих свойств фанеры при сохранении ее прочности.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения, содержит 145 страниц текста, 30 рисунков, 30 таблиц и список литературы, включающий 133 наименования литературных источников, в том числе 37 - на английском языке.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована научная новизна, определены цель и задачи исследования, практическая ценность работы. Приведены места проведения и апробации работы, структура и объем диссертации.
Первая глава Состояние вопроса и задачи исследования посвящена оценке эффективности применения листовых плитных древесных материалов в малоэтажном деревянном домостроении в России, анализу требований, предъявляемых к строительной фанере, и результатов научных исследований по защите от действия воды и влаги древесины и древесных материалов, применяемых в строительстве.
Анализ литературных источников показал, что наиболее перспективным направлением защиты древесных материалов от действия воды и влаги является их модификация с помощью технологий термической обработки.
Несмотря на ряд достоинств, основными недостатками известных технологий термообработки (Thermowood, Barkett; West-Wood; Bua Pezdyuz; Process Plato, и др.) являются снижение физико-механических показателей термообработанной древесины, высокие температуры и продолжительность процесса, значительные энергетические затраты.
В СПбГЛТУ им. С.М. Кирова доцентом Г.И. Царевым доказана эффективность разработанного им химического способа повышения водоотталкивающих свойств ДВП сухого формования при пропитке их модифицированным талловым маслом лиственных пород с последующей термообработкой. Модифицированное талловое масло лиственных пород - нетоксичный (класс опасности равный 4) невостребованный в нашей стране побочный продукт целлюлозного производства. Высшие жирные кислоты, входящие в его состав, имеют свойства, схожие с экстрактивными веществами, содержащимися в древесине. Установлено, что после вымачивания в воде в течение 24 ч разбухание маслотермообработанных ДВП снизилось на 7-9 %, а водопоглощение - на 8-10 %, по сравнению с необработанными древесноволокнистыми плитами. Предел прочности при изгибе у маслотермообработанных ДВП увеличился в 1,2 раза.
Этот эффект достигается благодаря химическому взаимодействию при термообработке древесного вещества волокна и высших жирных кислот модифицированного таллового масла. Химическая активность вещества древесного волокна определяется механическим разрушением и термическим воздействием на него при изготовлении ДВП.
В процессе изготовления фанеры древесина также подвергается термообработке на ряде стадий технологического процесса. Шпон, особенно из древесины хвойных пород, значительно разрушается при лущении.
Относительная схожесть воздействий на структуру древесины при изготовлении ДВП и фанеры дает основание предположить приемлемость применения метода маслотермообработки для повышения водоотталкивающих свойств фанеры.
Во второй главе Теоретические предпосылки возможности применения маслотермообработки как способа защиты фанеры от влажностных воздействий на основе анализа термомеханических воздействий на древесину в процессе изготовления ДВП и фанеры обоснована возможность применения метода маслотермообработки фанеры для повышения ее водоотталкивающих свойств.
В подразделе 1.2 работы отмечено, что эффект повышения водоотталкивающих свойств ДВП маслотермообработкой достигается за счет химического взаимодействия при термообработке древесного вещества волокна и высших жирных кислот модифицированного таллового масла.
Химическая активность вещества древесного волокна при изготовлении ДВП определяется механическими разрушениями и термическими воздействиями на нее.
При пропарке щепы идет процесс накопления низкомолекулярных фракций углеводов. Это обеспечивает увеличение количества функциональных групп, необходимых в дальнейшем для образования межволоконных связей.
Термообработка при прессовании ДВП способствует развитию этого процесса.
Процесс размола щепы на волокна увеличивает удельную поверхность частиц древесины и вскрывает при этом часть гидроксилов, заблокированных водородной связью. На поверхности древесного дефибраторного волокна находится срединная пластинка, состоящая из 70 % лигнина и 30 % из гемицеллюлоз и полиуронидов.
В процессе термообработки маслопропитанных ДВП при температуре о свыше 155 С протекают следующие химические реакции. Карбоксильные группы димерных и тримерных производных высших жирных кислот модифицированного таллового масла с гидроксильными группами и двойными связями лигнина вступают в реакцию этерификации. В результате образуются адгезионные связи между древесным веществом и высшими жирными кислотами модифицированного таллового масла, в котором параллельно продолжается реакция сополимеризации - диенового синтеза - высших жирных кислот модифицированного таллового масла. По нашему мнению, протекание реакции диенового синтеза при маслотермообработке может быть допущено с некоторой долей вероятности.
Установлено, что в состав модифицированного таллового масла входят нейтральные вещества, в количестве 20-26%, которые не способны к полимеризации. В то же время они могут играть роль гидрофобизатора, так как в их состав входят, в основном, стерины - водонерастворимые вещества.
Поэтому достигаемый эффект повышения водоотталкивающих свойств путем маслотермообработки ДВП связан как с протеканием химических реакций этерификации и диенового синтеза, так и присутствием гидрофобной составляющей в ее структуре.
Условия изготовления шпона, а из него фанеры имеют некоторое сходство с условиями изготовления ДВП. Древесное вещество чураков, а затем шпона подвергается термообработке на этапах производства фанеры.
Древесина шпона, особенно его поверхностная зона, частично разрушается в процессе лущения, сушки, перемещений. Безусловно, объем разрушения структуры и древесного вещества шпона, а следовательно, доступность срединной пластинки значительно меньше, чем в структуре древесного волокна ДВП.
Температурно-временные условия воздействия на древесное вещество шпона при изготовлении фанеры по суммарному количеству тепла (1205244кДж/м3) достаточно близки к условиям теплового воздействия на древесное вещество при изготовлении ДВП (1559413кДж/м3).
Несмотря на некоторое различие термических и механических воздействий на древесное вещество шпона, все вышеизложенное дает основания предположить возможность перехода части древесного вещества шпона в состояние близкое по химической активности к состоянию древесного волокна для изготовления ДВП. Это явилось основанием для дальнейшего экспериментального исследования возможности повышения водоотталкивающих свойств фанеры путем ее маслотермообработки.
В третьей главе Общие методические положения представлены основные методические положения диссертационной работы. Приведены характеристики используемых материалов, методов и средств измерения, применяемого оборудования и приборов, методики проведения экспериментов и обработки их результатов.
Для минимизации погрешностей результатов опытов, связанных с качеством фанеры, применяемой для маслотермообработки, в лабораториях кафедр технологии деревообрабатывающих производств СПбГЛТУ им. С.М.
Кирова и Хельсинского технологического университета изготовлялась фанера, отвечающая требованиям ГОСТ 3916.2. Применяли шпон из древесины лиственницы сибирской форматом 300300 мм, толщиной 2,450,25 мм с однообразной структурой поверхности и шероховатости. Остальные характеристики шпона соответствовали ГОСТ 99. Шероховатость поверхности и влажность древесины шпона, физико-механические показатели фанеры оценивали с применением стандартных методик. Склеивание листов шпона для получения фанеры производили с использованием однокомпонентного клея на основе фенолоформальдегидной смолы марки СФЖ-3014 по известным режимам.
Для экспериментов использовали образцы фанеры следующих толщин и слойности: 4 мм - слойность 3; 9 мм - слойность 5; 15 мм - слойность 7; 18 мм - слойность 9 мм. Перед испытанием образцы маслотермообработанной фанеры выдерживали в течение суток. Маслотермообработанную фанеру получали на полупромышленной установке в ЗАО Технопарк ЛТА. Процесс проводился в два этапа: пропитка в ванне горячим модифицированным талловым маслом лиственных пород, изготовленным на Светогорском ЦБК (паспорт серии ВТ №003134 от 13.04.2010г.) и термообработка в камере с принудительной циркуляцией воздуха.
Для статистической обработки полученных результатов экспериментов использовали средства пакета Microsoft Excel.
В четвертой главе Установление приемлемости процесса маслотермообработки для повышения водоотталкивающих свойств фанеры проведены предварительные исследования, направленные на установление приемлемости маслотермообработки для защиты фанеры, обоснование уровней переменных факторов, оказывающих существенное влияние на процесс маслотермообработки.
Для решения задачи предварительного обоснования температуры маслопропитки устанавливалась вязкость модифицированного таллового масла, определяющая его проникающую способность, при изменении температуры.
Исследовалась вязкость модифицированного таллового масла в диапазоне температур 70-160оС. Условная вязкость устанавливалась по вискозиметру ВЗ4, который нагревали до температуры масла в термошкафу. Определение вязкости производилось по методике, приведенной в ГОСТ 8420.
Установлено, что вязкость модифицированного таллового масла о практически постоянна в пределах температур от 110 до 160 С и составляла в среднем 11 с. На этом основании и с учетом минимизации температурного воздействия на клеевой слой фанеры диапазон изменения температуры о маслопропитки принят в пределах 110-140 С.
Учитывая разнородную структуру древесного вещества ДВП, в сравнении со структурой древесного вещества фанеры, решалась задача предварительного обоснования продолжительности ее маслопропитки и термообработки. Продолжительность маслопропитки - от 30 мин до 1,5 ч, продолжительности термообработки фанеры - от 2 до 8 ч с шагом 2 ч - приняты на основе анализа исследования процесса маслотермообработки ДВП.
С ориентировкой на эти исследования и с учетом минимизации разрушения клеевого слоя при тепловом воздействии температура термообработки принята постоянной -1605 оС.
На предварительном этапе исследований оценивалось влияние условий маслопропитки фанеры на ее водоотталкивающие свойства. Выходными параметрами приняли разбухание и водопоглощение фанеры - показатели, определяющие водоотталкивающие свойства древесного материала. Для сравнительной оценки результатов маслотермообработки фанеры испытаниям подвергались образцы фанеры, не прошедшие маслотермообработку. Контроль разбухания (Pо) и водопоглощения (WВД) проводили согласно ГОСТ 9621 в течение 14 суток.
Увеличение продолжительности маслопропитки с 30 до 90 мин способствует более глубокому проникновению масла в структуру древесины фанеры, обеспечивая больший объемный контакт модифицированного таллового масла и древесины. В результате достигается несколько больший эффект повышения водоотталкивающих свойств при сохранении прочности в пределах ГОСТ 3916.2. Глубина зоны сплошной пропитки маслом фанеры в среднем равна 0,95 мм, что обеспечивает сплошность поверхностной защиты фанеры. С увеличением толщины фанеры разбухание и водопоглощение уменьшается, что связано с уменьшением ее водопроницаемости по толщине (табл.1).
Таблица 1 - Водоотталкивающие свойства Водоотталкивающие свойства/ Повышение водоотталкивающих свойств по Фанера толщиной, мм отношению к фанере, не прошедшей маслотермообработку Разбухание, % Водопоглощение, % 4 9/25 26/9 5/50 18/15 3/57 14/Таким образом, маслотермообработка фанеры обеспечивает повышение ее водоотталкивающих свойств. Природа этого эффекта может объясняться как химическим взаимодействием между высшими жирными кислотами модифицированного таллового масла и древесного вещества фанеры, так и гидрофобизацией древесной структуры не вступившими во взаимодействие с ней компонентами модифицированного таллового масла. Установление природы повышения водоотталкивающих свойств фанеры потребовала экспериментального обоснования.
В пятой главе Экспериментальное подтверждение теоретических предположений возможной природы повышения водоотталкивающих свойств фанеры путем ее маслотермообработки методом ИКспектроскопии установлена природа повышения водоотталкивающих свойств маслотермообработанной фанеры, выявленных в процессе проведения предварительных экспериментов.
Эксперимент проводили с использованием образцов семислойной фанеры толщиной 15 мм. Образцы фанеры форматом 145145 мм пропитывали модифицированным талловым маслом лиственных пород при температуре 140оС в течение 90 мин и подвергали термической обработке при температуре 160оС в течение 2, 4, 6 и 8 ч. Из ее центральной зоны изготавливали образцы размером 21 мм, предварительно высушивали при температуре 402С в камере в течение 12 часов, выдерживали в эксикаторе с безводным хлористым кальцием в течение 5 мин.
Затем образцы помещали в пресс-форму, обрабатывали гелием в течение 5 мин и снимали спектр. ИК-спектральный анализ проводился на спектрометре FTS600. Параллельно снимали ИК-спектры образцов маслотермообработанной, немаслотермообработанной, термообработанной фанеры и модифицированного таллового масла.
Функциональные группы, способные к реакционному взаимодействию, у древесного вещества - гидроксильные группы ( - ОН ) фенилпропановой цепочки лигнина, у высших жирных кислот модифицированного таллового масла - карбоксильные группы ( - СООН ). Полученные в процессе эксперимента ИК-спектры представлены на рис. 1.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40волновое число, см-Рис.1. ИК-спектры образцов фанеры - фанера, не прошедшая маслотермообработку;
- - - фанера термообработанная в течение 8 ч;
- фанера, пропитанная в МТМ и термообработанная в течение 8 ч.
Анализ ИК-спектров показал изменение полос поглощения, характерных для - ОН - групп. В спектрах образцов маслотермообработанной фанеры, по сравнению с ИК-спектрами образцов фанеры, не прошедшей маслотермообработку, происходит снижение содержания свободных гидроксильных групп. Этот эффект можно объяснить следующим образом: в процессе термообработки карбоксильные группы высших жирных кислот вступают в реакцию этерификации с гидроксильными группами компонентов древесины, образуя сложноэфирную связь.
При увеличении длительности термообработки с 2 до 8 часов у образцов маслотермообработанной фанеры интенсивность поглощения сложноэфирной связи (при 1700-1720 см-1) увеличивается с 3,5 до 5,4.
Анализируя параллельно результаты предварительных экспериментов можно установить, что с увеличением продолжительности термообработки по интенсивность глощения маслопропитанной фанеры с 2 до 8 часов, водопоглощение уменьшается с до 12 %, разбухание - с 10 до 4 % (вымачивание образцов в течение 24 ч).
Можно констатировать, что повышение водоотталкивающих свойств маслотермообработанной фанеры, обнаруженное на этапе предварительных экспериментов, происходит в результате реакции этерификации за счет образования сложноэфирной связи при химическом взаимодействии древесного вещества шпона и высших жирных кислот модифицированного таллового масла.
Было предположено, что в процессе термообработки предварительно маслопропитанной фанеры в масле продолжается вторая реакция - реакция диенового синтеза, о чем косвенно свидетельствуют результаты ИКспектроскопии. Был изучен диапазон 1650-1700 см-1 ИК-спектра, представленный на рис.1. Как видно из рисунка, для несопряженной двойной связи - СН = СН - характерно волновое число 1655 см-1. В ИК-спектре маслотермообработанной фанеры также наблюдается полоса поглощения в этой области. Из сравнения ИК-спектров образцов необработанной и маслотермообработанной фанеры, установлено, что интенсивность поглощения - СН = СН - групп в ИК-спектре маслотермообработанной фанеры в 4-5 раз меньше. Малая интенсивность поглощения, характерная для связи - СН = СН - групп (у маслотермообработанной фанеры - 3,6 в условиях восьмичасовой термообработки и 2,6 - при двухчасовой термообработке) доказывает, что количество сопряженных связей у образцов маслотермообработанной фанеры незначительно. Это объясняется тем, что высшие жирные кислоты с сопряженными двойными связями при нагревании легко образуют циклогексеновое кольцо между двумя радикалами высших жирных кислот модифицированного таллового масла. Смещение полосы поглощения - СН = СН - (1650 см-1) в область валентного колебания - СН с 3010 по 3013 см-1 свидетельствует о наличии циклогексенового кольца - сшивке молекул по механизму диенового синтеза.
На основании анализа результатов ИК-спекроскопии образцов маслотермообработанной фанеры можно утверждать, что химическая активность древесного вещества лущеного шпона, достигнутая частичным разрушением структуры древесины при лущении, и химические изменения, связанные с термической обработкой шпона в процессе изготовления фанеры, - гидротермическая обработка сырья, сушка шпона, нагрев пакетов при склеивании - обеспечивают при взаимодействии с высшими жирными кислотами модифицированного таллового масла протекание реакции этерификации. Одновременно в масле, предположительно, продолжается реакция диенового синтеза.
Как видно из ИК-спектров, с увеличением продолжительности термообработки увеличивается глубина реакции этерификации. Сопоставляя эти результаты с результатами, полученными в главе 4, можно заключить, что глубина протекания этой реакции определяет повышение водоотталкивающих свойств фанеры, в первую очередь уменьшение ее разбухания. При этом, как отмечалось, часть модифицированного таллового масла не вступает в химическое взаимодействие. Глубину протекания реакций этерификации и ее влияние на повышение водоотталкивающих свойств фанеры оценивали по количеству веществ древесины шпона и модифицированного таллового масла, вступивших в реакции, используя метод экстракции.
По результатам эксперимента установили, что с увеличением длительности термообработки фанеры - с 4 до 6 часов, количество веществ, вступивших в реакцию, увеличивается с 54 до 57 % и, как следствие, повышаются водоотталкивающие свойства маслотермообработанной фанеры:
разбухание - с 5 до 4,7 %, водопоглощение - с 20 до 18,5 %.
При маслотермообработке ДВП в условиях, аналогичных условиям обработки фанеры, количество веществ, вступивших в реакции в структуре ДВП, больше - 65,5%, чем в структуре фанеры - 57 %. Это объясняется меньшей химической активностью древесного вещества шпона в сравнении с древесным веществом ДВП в связи с некоторым различием термических и механических воздействий на древесное вещество при изготовлении ДВП и фанеры. Несмотря на это, установленная глубина протекания реакции позволяет достичь повышения водоотталкивающих свойств фанеры при ее маслотермообработке.
Для обоснования природы сохранения прочности была проведена сравнительная оценка предела прочности фанеры при скалывании по клеевому слою в сухом виде и после кипячения в течение 6 часов по ГОСТ 3916.2.
Испытывалась фанера, не прошедшая маслотермообработку, термообработанная и маслотермообработанная. Для выяснения структурных изменений древесины шпона были получены фотографии микроструктуры фанеры.
По сравнению с прочностью немаслопропитанной фанеры в сухом виде, прочность термообработанной фанеры уменьшалась на 40%, а маслотермообработанной фанеры - на 10 %. Разрушение клеевого соединения термообработанной фанеры происходило в основном по древесине, что подтверждает снижение прочности древесины при термообработке.
Оценка прочности маслотермообработанной фанеры по ГОСТ 96подтверждает соответствие ее прочности требованиям ГОСТ 3916.2. В результате маслотермообработки фанеры протекает реакция этерификации, обеспечивающая адгезионные связи маслотермообработанному древесному веществу. На этом основании можно утверждать, что сохранение прочности маслотермообработанной фанеры практически на уровне исходной обеспечивается тем, что реакция этерификации опережает деструкцию древесного вещества. Отсутствие деструкции древесины подтверждается на микрофотографиях структуры немаслотермообработанной, термообработанной и маслотермообработанной фанеры.
В шестой главе Построение математических моделей процесса маслотермообработки фанеры построены и проанализированы математические модели процесса, связывающие изменение критериев гидрофобности маслотермообработанной фанеры и ее прочности с температурно-временными параметрами процесса маслотермообработки.
Уровни варьирования переменных факторов при проведении экспериментов приняты на основе результатов предварительных исследований.
Решение поставленной задачи проводили реализацией полного факторного эксперимента. Эксперимент проводился на образцах фанеры толщиной 15 мм.
Переменные факторы приведены в табл. 2.
Таблица 2ЦПеременные факторы и уровни их варьирования Фактор Уровни фактора Интервал Обозначе- варьироваНаименование ниж- основние верхний ния ний ной Температура tм/п 140 110 125 о маслопропитки, С Продолжительность м/п 90 30 60 маслопропитки,мин Температура tт/о 175 155 165 о термообработки, С Продолжительность т/о 8 5 6,5 1,термообработки, ч Полученные уравнения регрессии в натуральном виде имеют вид:
1. Разбухание, %:
Ро=95,3-0,58t -2,45 -0,47 t -45,50 +0,027 t + 0,0032 t t + м/п м/п т/о т/о м/п м/п м/п т/о +0,36 t +0,014 t +0,91 +0,28 t - 0,0002 t t - м/п т/о м/п т/о т/о т/о м/п м/п т/о м/п т/о Ц0,0087 t -0,0022 t t -0,006 t + м/п м/п т/о м/п т/о т/о м/п т/о т/о +0,0001 t t м/п м/п т/о т/о 2. Водопоглощение, %:
WВД=1052,83-8,30 t -14,70 - 6,22 t -218,93 +0,13 t + м/п м/п т/о т/о м/п м/п +0,051 t t +1,77 t + 0,097 t +3,57 +1,35 t - м/п т/о м/п т/о м/п т/о м/п т/о т/о т/о -0,001 t t - 0,011 t t - 0,031 t -0,023 t м/п м/п т/о м/п т/о т/о м/п м/п т/о м/п т/о т/о +0,0002 t t м/п м/п т/о т/о 3. Предел прочности при скалывании по клеевому слою, МПа:
= 4,6-0,022 t -0,044 - 0,004 t - 0,62 +0,0004 t +0,005 t м/п м/п т/о м/п м/п м/п т/о ск т/о + 0,01 -0,00008 t м/п т/о м/п м/п т/о Из анализа уравнений регрессии следует: при увеличении значений принятых переменных факторов уменьшаются значения водопоглощения, разбухания и предела прочности при скалывании. Наибольшие значения коэффициентов в уравнениях при факторах продолжительности маслопропитки и термообработки свидетельствуют о преимущественной степени их влияния на повышение водоотталкивающих свойств маслотермообработанной фанеры.
В седьмой главе Обоснование параметров режима процесса маслотермообработки фанеры проведена оптимизация параметров режима маслопропитки и термообработки фанеры симплекс-методом по критериям минимизации разбухания и водопоглощения фанеры при обеспечении ее прочности согласно ГОСТ 3916.2. Установлен оптимальный режим маслопропитки и термообработки фанеры и, с учетом анализа ранее полученных математических моделей, обоснованы технологические параметры процесса:
- температура маслопропиткиЦ13010 оС;
- продолжительность маслопропитки - 605 мин;
- температура термообработки Ц1605 оС;
- продолжительность термообработкиЦ60,05 ч;
- расход модифицированного таллового масла - 145 г/м2.
Главным недостатком существующих технологий термической защиты является выделение в процессе термообработки летучих веществ из древесины.
Эти вещества являются экологически опасными. Для оценки экологической составляющей процесса маслотермообработки и маслотермообработанной фанеры определили сравнительный выход летучих веществ при термообработке из образцов немаслопропитанной, маслопропитанной при оптимальном режиме фанеры и модифицированного таллового масла (рис.2).
Количество летучих веществ, выделяющихся из образцов термообработанной немаслопропитанной фанеры - 14,8 %, из термообработанного модифицированного таллового масла - 21 %, из образцов маслотермообработанной фанеры - 8,6%. Сравнивая количество летучих веществ, выделившихся из образцов немаслопропитанной и маслопропитанной фанеры, подвергнутых термообработке, можно сделать вывод о большей степени экологичности способа повышения водоотталкивающих свойств фанеры маслотермообработкой, в сравнении со способом термообработки древесины.
Для оценки степени безопасности маслотермообработанной фанеры были проведены санитарно-гигиенические испытания в ФГУЗ Центр гигиены и эпидемиологии в городе Санкт-Петербург. Уровни выделений химических веществ у образцов маслотермообработанной фанеры соответствуют требованиям, предъявляемым МУ 2.1.2.1829-04, ГН 2.1.6.1338-03. Таким образом, процесс маслотермообработки и маслотермообработанную фанеру можно считать экологически достаточно безопасными.
Немаслопропитанная фанера Маслопропитанная фанера Модифицированное талловое масло о Рис.2. Влияние продолжительности термообработки при температуре t 160 С на выход летучих веществ Рис.3. Сравнительная зависимость снижения прочности фанеры от продолжительности кипячения (1) и срока ее эксплуатации (2) Совокупность атмосферных термо-влажностных воздействий на фанеру в строительных конструкциях ведет к потере прочности шпона и клеевого слоя, в основном за счет напряжений, возникающих в структуре фанеры. Структурные разрушения, в первую очередь, происходят в поверхностных ее слоях.
Незащищенная поверхностно фанера сохраняет эксплуатационную пригодность в конструкциях более 10 лет, окрашенная - более 20 лет. Анализ показал, что падение прочности фанеры при атмосферных воздействиях и в процессе ее кипячения имеет линейный характер. Произведена связь по времени между падением прочности окрашенной фанеры при атмосферных воздействиях на нее и при кипячении - маслотермообработанной фанеры. В результате установлено, что ориентировочный период эксплуатации маслотермообработанной фанеры составляет 25 лет (рис.3).
В восьмой главе работы Оценка технико-экономической эффективности применения маслотермообработанной фанеры произведен расчет экономического эффекта. Годовая экономия маслотермообработанной фанеры, взамен окрашенной, при применении ее в качестве обшивок панелей строительных конструкций при годовом объеме производства 10 830 м3 или 722 000 м2 за счет исключения эксплуатационных расходов и увеличения срока службы с 20 до 25 лет составит 28 454 тыс. руб. в ценах 2011 года.
По результатам диссертационной работы разработано техническое предложение на проектирование комплекта оборудования для производства маслотермообработанной фанеры.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:
1. Развитие малоэтажного каркасного и панельного деревянного домостроения в нашей стране определило рост спроса на листовые плитные материалы, в том числе и фанеру из древесины хвойных пород, в особенности лиственницы, отличающей повышенной стойкостью к биопоражениям.
Одними из основных требований, предъявляемых к строительным материалам из древесины, подверженным влажностным воздействиям, является их долговечность и формоустойчивость. Достижение этих требований в большой степени обеспечивается повышением водоотталкивающих свойств древесины.
Это качество строительных материалов из древесины достигается различными методами и средствами их защиты.
2. Фанере присущи все недостатки древесины, связанные с особенностями ее химического и структурного строения, в том числе гигроскопичность, формоизменяемость, ограничивающие срок службы материала. Разработка новых технологических решений по защите фанеры от атмосферных влажностных воздействий является актуальной.
3. Применяемые химические способы и средства защиты не являются экологически безопасными. Альтернативой химической защите является термическая обработка древесины. Повышение водоотталкивающих свойств древесного вещества, определяющее незначительное разбухание древесины, обусловлено воздействием высокой температуры на его химическую структуру, приводящей к термодеструкции гемицеллюлоз. Несмотря на ряд достоинств известных на сегодняшний день технологий термообработки, основными недостатками их применения являются снижение физикомеханических показателей термообработанной древесины, высокие температуры и продолжительность процесса, значительные энергетические затраты.
4. Одним из способов получения гидрофобного древесного материала при сохранении его прочности является маслотермообработка. Доцентом СПбГЛТУ им. С.М. Кирова Г.И. Царевым установлена эффективность использования модифицированного в определенных температурно-временных условиях таллового масла лиственных пород для получения сверхтвердых ДВП с высокими водоотталкивающими свойствами. Этот эффект достигается благодаря химическому взаимодействию при термообработке древесного вещества волокна и высших жирных кислот модифицированного таллового масла. Химическая активность вещества древесного волокна определяется механическим разрушением и термическим воздействием на него при изготовлении ДВП.
5. Установлена относительная схожесть механических и термических воздействий на структуру древесины при изготовлении ДВП и фанеры. Это дало основание предположить эффективность применения метода маслотермообработки для повышения водоотталкивающих свойств фанеры.
6. В результате предварительного исследования процесса маслотермообработки фанеры установлено повышение ее водоотталкивающих свойств: разбухание и водопоглощение фанеры за 24 часа уменьшилось в среднем на 4 и 10 % соответственно, по сравнению с этими показателями фанеры, не прошедшей маслотермообработку.
Природа этого эффекта может объясняться как за счет химического взаимодействия между высшими жирными кислотами модифицированного таллового масла и древесного вещества фанеры, так и гидрофобизации древесной структуры не вступившими во взаимодействие с ней компонентами модифицированного таллового масла.
7. На основании анализа результатов ИК-спекроскопии образцов маслотермообработанной фанеры установлено, что химическая активность древесного вещества лущеного шпона, достигнутая частичным разрушением структуры древесины при лущении, и химические изменения, связанные с термической обработкой шпона в процессе изготовления фанеры, обеспечивает при взаимодействии с высшими жирными кислотами модифицированного таллового масла протекание реакции этерификации.
8. Совместный анализ результатов ИК-спектроскопии и экстракции, данных предварительных экспериментов позволил заключить, что повышение водоотталкивающих свойств фанеры достигается за счет увеличения глубины этой реакции. Установлена глубина реакции этерификации. Достигнутая глубина протекания реакции обеспечивает достаточно значительное повышение водоотталкивающих свойств фанеры, в первую очередь уменьшение ее разбухания с 10 до 3 %.
9. Установлена природа сохранения прочности древесины фанеры в процессе ее маслотермообработки. По сравнению с прочностью фанеры, не прошедшей тепловую обработку, термообработанной и маслотермообработанной, сохранение исходной прочности маслотермообработанной фанеры обеспечивается формированием адгезионных связей в структуре фанеры за счет реакции этерификации. Эта реакция опережает термодеструкцию древесного вещества фанеры в процессе термообработки, что обеспечивает прочность фанеры в соответствии с ГОСТ 3916.2. Достигнутый эффект является важным преимуществом маслотермообработки, в сравнении с известными методами термообработки.
Прочность фанеры при влажностных воздействиях в процессе эксплуатации падает в связи с разрушением наружных ее слоев. При маслотермообработке они надежно защищены.
10. С применением метода полного факторного эксперимента построены модели процесса маслотермообработки, связывающие его параметры с показателями водоотталкивающих свойств фанеры. Анализ моделей показал, что наибольшее влияние на повышение водоотталкивающих свойств маслотермообработанной фанеры оказывают продолжительность маслопропитки и термообработки.
11. На основе оптимизации параметров процесса маслотермообработки с применением симплекс-метода и анализа его моделей обоснованы технологические параметры процесса маслотермообработки фанеры, которые обеспечивают получение материала с наиболее высокими водоотталкивающими свойствами при достаточной прочности. Обработка фанеры по оптимальному режиму позволяет в среднем снизить ее разбухание в 2 раза, водопоглощение - в 1,2 раза и обеспечить прочность, равную 1,2 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ 3916.2.
12. Одним из главных недостатков существующих технологий термической защиты является выделение летучих веществ в результате деструкции древесины при термообработке. Эти вещества являются экологически опасными. Установленное сравнительное количество летучих веществ, выделяющихся из образцов термообработанной маслопропитанной фанеры в 1,7 раза меньше, чем из образцов термообработанной немаслопропитанной фанеры. Меньшее количество летучих веществ, выделившееся из образцов маслопропитанной фанеры в процессе ее термообработки, определяется установленным протеканием в этих условиях реакции этерификации.
По результатам санитарно-гигиенических испытаний уровни выделений химических веществ у образцов маслотермообработанной фанеры соответствуют предъявляемым нормативным требованиям. Полученная фанера не имеет специфического запаха. Таким образом, процесс маслотермообработки и маслотермообработанную фанеру можно считать экологически достаточно безопасными.
13. Сравнительная экспериментально-аналитическая оценка значений снижения прочности окрашенной фанеры при атмосферных воздействиях и маслотермообработанной фанеры в процессе ее кипячения с учетом однообразного его характера под этими внешними воздействиями позволила установить, что ориентировочный период эксплуатации маслотермообработанной фанеры составляет 25 лет.
14. Экономическая эффективность использования маслотермообработанной фанеры, взамен окрашенной, при применении ее в качестве обшивок строительных конструкций достигается за счет исключения эксплуатационных расходов и увеличения срока службы обшивок с 20 до лет. При годовом объеме производства 10830 м3 или 722 000 м2 годовая экономия составит 28,45 млн руб. в ценах 2011 года. Это подтверждает экономическую целесообразность применения разработанной технологии защиты фанеры путем ее маслотермообработки.
15. Маслотермообработка фанеры позволяет исключить применение экологически опасных методов защиты ее от влажностных воздействий при эксплуатации в строительных конструкциях.
16. Основными областями применения маслотермообработанной фанеры в строительстве могут являться: опалубка, обшивка панелей, покрытия крыш и потолков, настил под полы, хозяйственные постройки, а также деревянные суда, вагоны и другие конструкции, эксплуатируемые в условиях повышенного воздействия на них влаги и воды.
17. Для реализации результатов работы, требующей создания специального оборудования, можно рекомендовать техническое предложение на проектирование комплекта оборудования для производства маслотермообработанной фанеры.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В издании, рекомендованном ВАК 1. Матюшенкова, Е.И. Маслотермозащита фанеры от внешних влажностных воздействий /Е.И. Матюшенкова, А.Б. Чубов, Г.И.Царев // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии.- СПб.: СПбГЛТА.Вып.190. - 2010.-С.163-170.
2. Матюшенкова, Е.И. Обоснование режимов маслотермообработки фанеры/Е.И. Матюшенкова, А.Б. Чубов, Царев Г.И.// Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии.- СПб.: СПбГЛТА.-Вып. 194.- 2011.С.129-137.
3. Матюшенкова, Е.И. ИК-спектроскопия как метод определения природы повышения водоотталкивающих свойств маслотермообработанной фанеры / Е.И. Матюшенкова, А.Б. Чубов, Г.И.Царев // Известия СанктПетербургской лесотехнической академии.- СПб.: СПбГЛТА. -Вып.
195.-2011.-С.150-159.
В прочих изданиях 4. Chubov, A. Excusive wood protection./ A. Chubov, G.Tsarev, E.Matyushenkova // Russian Forestry Review -2008. -№3.- P.79.
5. Matyushenkova, E. The wood protection technique in Russia/E.Matyushenkova// Russian Forestry Review. -2008. -№3.- P.76-78.
6. Чубов, А.Б. Состояние вопроса в области термообработки древесины/ А.Б. Чубов, Е.И. Матюшенкова//Первичная обработка древесины: древесины:
есопиление и сушка пиломатериалов. Состояние и перспективы развития. - СПб.: НП НО - МТД - 2008.- С.162-166.
7. Матюшенкова, Е. Модификация древесины. Зарубежный опыт/ Е.Матюшенкова// ЛесПромИнформ.- 2009.-№4(62). -С.125-127.
8. Матюшенкова, Е. Откуда берутся нужные свойства. Термическая и химическая модификация древесины/Е. Матюшенкова// ЛесПромИнформ.2009.-№7(65). -С.94-97.
9. Матюшенкова, Е.И. Природа снижения разбухания и водопоглощения маслотермообработанной фанеры/Е.И. Матюшенкова, А.Б. Чубов, Г.И. Царев// Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: сборник материалов Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов/Под ред. авторов.//СПб.:
СПбГЛТА. Ц2010. - С.187-191.
10. Матюшенкова, Е.И.Термохимическая защита древесины/ Е.И.
Матюшенкова, А.Б. Чубов, Г.И. Царев//Леса России в XXI веке [Текст]:
Материалы второй международной научно-практической интернетконференции. Ноябрь 2009г./ Под ред. авторов. Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М. Кирова-Санкт-Петербург. - 2009. - С.6667.
11. Матюшенкова, Е.И. Защищенная от влажностных воздействий строительная фанера/ Е.И. Матюшенкова, А.Б. Чубов, Г.И. Царев// Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: сборник материалов Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов/Под ред. авторов. - СПбГЛТА. - 2010. - С.109-112.
12. Чубов, А.Б. Маслотермообработанная фанера для строительства/ А.Б.Чубов, Г.И. Царев, Е.И. Матюшенкова// ООО ЦНИИФ. Материалы V Санкт-Петербургской международной конференции. 23-25 ноября 2010г. - СПб.ЦС.33-35.
13. Матюшенкова, Е.И. Маслотермомодификация как способ защиты строительной фанеры от температурно-влажностных воздействий / Е.И.
Матюшенкова, А.Б. Чубов, Г.И. Царев//Леса России в XXI веке [Текст]:
Материалы четвертой международной научно-практической интернетконференции. июль 2010г./ Под ред. авторов. Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М. Кирова-Санкт-Петербург. - 2010. - С.6-13.
14. Чубов, А.Б. Строительная маслотермообработанная фанера/ А.Б.Чубов, Е.И. Матюшенкова//ООО ЦНИИФ. Материалы VI Санкт-Петербургской международной конференции 23-25ноября 2011 г.ЦСПб.ЦС.42-44.
Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.220.или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, г. Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, СанктПетербургский государственный лесотехнический университет им.С.М.Кирова, Ученый совет.
МАТЮШЕНКОВА ЕКАТЕРИНА ИВАНОВНА АВТОРЕФЕРАТ Подписано в печать с оригинал-макета 14.02.2012.
Формат 60.84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз.
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТУ 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям