Совершенствование технологии производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна 05. 21. 05 Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки

Вид материала

Содержание

Поверхностное натяжение, МДж/м
Поверхностное натяжение, МДж/м
В пятой главе «Оценка влияния технологических факторов на свойства костроплит»
В шестой главе «Технология и режимы производства композиционной фанеры»
В седьмой главе «Применение фурановых олигомеров в производстве композиционных материалов»
В восьмой главе «Технико-экономические показатели и внедрение результатов исследований»

Подобный материал:

1 2 3

В отличие от работ других исследователей, получены уточненные математические зависимости косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения адгезивов в виде полиномов второй степени с величиной достоверности аппроксимации не менее 0,9:

- для карбамидоформальдегидного олигомера КФН-66:

а) субстрат – береза соs θ = 5,92465911 – 0,16633503 σ_ж + 0,00132169 σ_ж²;

б) субстрат – сосна соs θ = 3,58877944 – 0,08886598 σ_ж + 0,00069532 σ_ж²;

в) субстрат – костра соs θ = 5,60552926 – 0,16182875 σ_ж + 0,00128637 σ_ж²;

- для фенолформальдегидного олигомера СФЖ-3014:

а) субстрат – береза соs θ = 4,44744325 – 0,10672727 σ_ж + 0,00071985 σ_ж²;

б) субстрат – сосна соs θ = 3,49966865 – 0,07954155 σ_ж + 0,00053666 σ_ж²;

в) субстрат – костра соs θ = 4,06621758 – 0,10326984 σ_ж + 0,00070770 σ_ж².

Фактическое поверхностное натяжение костры льна определено экстраполированием кривой линии, выражающей зависимость cosӨ = f (σ) до значения cosӨ = 1, при котором происходит полное смачивание. Таким образом, поверхностное натяжение костры составило 45 МДж/м². Для достижения полного смачивания и высокой адгезии необходимо, чтобы полимерные составы, применяемые для ее осмоления, имели поверхностное натяжение до 45 МДж/м². Поверхностное натяжение исследуемых клеевых составов приближается к поверхностному натяжению костры при условии модифицирования карбамидоформальдегидной смолы бутанолом в количестве 1,5%; при модифицировании фенолформальдегидной смолы бутанолом в количестве 2%, что позволяет обеспечить полное смачивание костры при осмолении и высокую адгезию.

Для оценки адгезионного взаимодействия, а также для определения рационального количества вводимого бутанола при модификации клеевых составов рассчитана величина работы адгезии на основе (11).

В данном уравнении не учитывается величина межфазного взаимодействия субстрата с адгезивом, поэтому расчет работы адгезии не является точным. Для повышения точности расчета необходимо учесть межфазное взаимодействие с помощью введения коэффициента пропорциональности b, имеющего величину tg угла наклона прямой, выражающей зависимость cosθ = f(σ_ж), к оси абсцисс.

При этом зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения адгезива имеет вид

cosθ = 1 – b·(σ_ж– σ_кр), (21)

где σ_кр – критическое значение поверхностного натяжения адгезива, при котором обеспечивается полное смачивание, МДж/м².

Подставив данную зависимость в уравнение Дюпре-Юнга, получим

W_а = σ_ж(2 + b·σ_кр) – b·σ_ж². (22)

Зависимость (25) представляет уравнение параболы, вершина которой находится при следующем значении поверхностного натяжения адгезива

σ_ж = + 0,5·σ_кр . (23)

При этом максимальная работа адгезии определяется зависимостью вида

W_а _max = + σ_кр + 0,25·b·σ_кр². (24)

Коэффициент пропорциональности b определим как тангенс угла наклона графических зависимостей cosθ=f(σ_ж), построенных по значениям для модифицированных составов на участках, описание которых возможно в виде прямых зависимостей (рис. 9).

В итоге получены уравнения для расчета работы адгезии

– для карбамидоформальдегидного олигомера:

W_{а береза} = σ_ж(2 + 0,06·49) – 0,06·σ_ж² = 4,94· σ_ж – 0,06·σ_ж² ;

W_{а сосна} = σ_ж(2 + 0,045·47) – 0,045·σ_ж² = 4,115· σ_ж – 0,045·σ_ж² ;

W_{а костра} = σ_ж(2 + 0,065·45) – 0,065·σ_ж² = 4,925· σ_ж – 0,065·σ_ж² .

– для фенолформальдегидного олигомера:

W_{а береза} = σ_ж(2 + 0,039·49) – 0,039·σ_ж² = 3,911· σ_ж – 0,039·σ_ж² ;

W_{а сосна} = σ_ж(2 + 0,03·47) – 0,030·σ_ж² = 3,41· σ_ж – 0,03·σ_ж² ;

W_{а костра} = σ_ж(2 + 0,058·45) – 0,058·σ_ж² = 4,61· σ_ж – 0,065·σ_ж² .

На рис. 10 представлена графическая интерпретация зависимости работы адгезии от поверхностного натяжения адгезивов.

Поверхностное натяжение, МДж/м²	Поверхностное натяжение, МДж/м²
а	б

Рис. 9. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения: а – карбамидоформальдегидной смолы; б –фенолформальдегидной смолы: – субстрат береза; 2 – субстрат сосна; 3 – субстрат костра льна

Поверхностное натяжение, МДж/м²	Поверхностное натяжение, МДж/м²
а	б

Рис. 10. Зависимость работы адгезии от поверхностного натяжения

а – карбамидоформальдегидной смолы; б – фенолформальдегидной смолы

1 – субстрат береза; 2 – субстрат сосна; 3 – субстрат костра льна

Проведенные расчеты и построенные графические зависимости свидетельствуют о повышении работы адгезии при использовании модифицированных клеевых составов.

Экспериментально подтверждено, что физико-механические характеристики готовых материалов при модификации спиртами существенно увеличиваются (табл.1).

Таблица 1

Сравнительные свойства костроплит

Количество модификатора (бутанола), %	Плотность плиты, кг/м³	Предел прочности при изгибе, МПа	Предел прочности при перпендикулярном отрыве, МПа	Разбухание по толщине, %	Водопогло-щение, %
на основе смолы КФН-66
0	740	12,15	0,23	37,6	95
1	732	18,21	0,57	29	79
1,5	738	19,98	0,59	26,1	74,1
2	729	21,07	0,57	25,8	72,2
на основе смолы СФЖ-3014
0	740	11,0	0,26	32,1	81,2
1	738	16,3	0,46	25,2	68,1
1,5	745	18,4	0,52	7,5	39,0
2	748	18,8	0,55	6,4	35,6
3	754	16,8	0,48	8,8	40,3

В работе рассмотрены также способы повышения смачивающей способности синтетических олигомеров путем совмещения их с поливинилацетатной дисперсией, в состав которой входят эмульгатор – поливиниловый спирт и пластификатор – дибутилфталат. Эти вещества действуют как поверхностно-активные и способствуют снижению поверхностного натяжения модифицированного клеевого состава, приближая его к поверхностному натяжению костры.

Закономерности отверждения и поведения модифицированных клеев в твердом состоянии изучались с позиций реологии полимеров.

Характерной особенностью процесса структурирования клеев является развитие внутренних напряжений, которые являются результатом давления, возникающего при росте глобул, связанных друг с другом в жесткую пространственную сетку. Внутренние напряжения, возникающие в клеевой прослойке – явление достаточно общее в адгезионных системах. В самом общем виде внутренние напряжения являются мерой незавершенности релаксационных процессов и зависят от числа, природы и характера распределения локальных связей в системе.

Реологические свойства модифицированных клеевых композиций на основе синтетических олигомеров исследовались после их полного отверждения с применением консистометра Хепплера.

В качестве примера на рис. 11 представлены временные зависимости относительных деформаций для исследованных клеевых составов на основе

1 – КФН-66; 2 – КФН-66+1% бутанола;

3 – КФН-66+2% бутанола; 4 – КФН-66+3% бутанола

1 – КФН-66; 2 – КФН-66+10% ПВА,

3 – КФН-66+20% ПВА; 4 – КФН-66+30% ПВА

– береза; 2 – сосна; 3 – костра льна

Рис. 11. Деформационные кривые

смолы КФН-66 и наполнителей композиционных материалов.

На основе полученных данных рассчитаны основные реологические характеристики – модуль упругости, модуль относительной медленной эластической деформации, равновесный модуль эластичности и др. Для достижения высокого качества склеивания необходимо, чтобы реологические свойства субстрата превышали соответству-ющие реологические свойства адгезива.

Анализ полученных данных показал, что модули упругости и эластичности костры льна меньше, чем модули упругости и эластичности древесных пород и отвержденных синтетических олигомеров. При введении бутанола модули упругости и эластичности отвержденных клеевых композиций приближаются к соответствую-щим значениям для костры льна.

Модификация клеевых композиций поливинилацетатной дисперсией дает более значимый эффект. Кроме этого, при данной модификации существенно уменьшается усадка отвержденной клеевой композиции, что снижает вероятность появления внутренних напряжений в клеевых соединениях. Таким образом, предложенные варианты модификации клеевых составов оправданы с точки зрения термодинамических и реологических свойств системы наполнитель – полимер.

В пятой главе «Оценка влияния технологических факторов на свойства костроплит» путем реализации В-плана второго порядка оценено влияние плотности (x₁), расхода связующего (x₂), количества модификатора связующего (x₃), количество гидрофобной добавки (x₄) на основные физико-механические и экологические характеристики костроплит.

По результатам исследований получены адекватные регрессионные модели:

а) выходная величина – предел прочности при изгибе:

Y₁ = 16,35 + 3,20 x₁ + 2,22 x₂ + 1,46 x₃ – 0,16 x₄ + 0,10 x₁² + 0,10 x₃² –

– 1,10 x₄² – 0,31 x₁ x₂ – 0,37 x₂ x₃ + 0,26 x₃ x₄ ;

б) выходная величина – предел прочности при перпендикулярном отрыве: Y₂ = 0,559 + 0,116 x₁ + 0,072 x₂ + 0,050 x₃ – 0,0039 x₄² – 0,021 x₁ x₂;

в) выходная величина – разбухание по толщине:

Y₃ = 17,45 + 2,20 x₁ – 5,92 x₂ – 2,24 x₃ – 6,92 x₄ + 0,50 x₁² + 1,70 x₂² –

– 0,55 x₃² + 0,75 x₄² – 0,92 x₁ x₂ + 2,36 x₂ x₄ + 1,08 x₃ x₄;

г) выходная величина – водопоглощение:

Y₄ = 82,45 + 5,79 x₁ – 13,68 x₂ – 4,08 x₃ – 16,70 x₄ – 2,71 x₁² – 1,00 x₂² –

– 4,16 x₃² – 5,91 x₄²;

г) выходная величина – содержание свободного формальдегида:

Y₅ = 8,59 + 0,06 x₁ + 2,26 x₂ – 0,36 x₃ – 0,07 x₄ + 0,21 x₁²– 0,09 x₄².

Анализ полученных математических моделей и их оптимизация при максимизации прочностных показателей и минимизации физических позволили определить рациональные условия производства костроплит:

плотность плит – 700 кг/м³; расход связующего – 15% от массы наполнителя; количество модификатора клеевого состава (бутанола-1) – 2% от массы жидкой смолы; количество парафиновой добавки – 0,5% от массы наполнителя; температура прессования – 150˚С; давление прессования – 1,8–2,0 МПа; время выдержки под давлением – 0,35–0,40 мин на 1 мм толщины плиты.

При соблюдении указанных условий удается получать плитные материалы с физико-механическими показателями, удовлетворяющими требованиям ГОСТ на аналогичную древесную продукцию (ДСтП):

- предел прочности при изгибе – 21,2 МПа;

- предел прочности при перпендикулярном отрыве – 0,72 МПа;

- разбухание по толщине – 17,4 %;

- содержание свободного формальдегида – 8,5 мг/100 г.

В шестой главе «Технология и режимы производства композиционной фанеры» предложены организационно-технические решения по производству композиционной фанеры, наружные слои которой состоят из взаимно перпендикулярных слоев лущеного шпона, а внутренним заполнением является клеевая композиция на основе костры льна по принципу изготовления костроплит. Основу прочности данному материалу придают слои лущеного шпона, при этом его расход на единицу продукции существенно снижается. Разработаны технологические схемы производства данного вида продукции.

По результатам реализации В-плана второго порядка оценено влияние плотности внутреннего заполнения (x₁), расхода связующего во внутреннем слое (x₂), количества модификатора связующего (x₃), количество гидрофобной добавки (x₄) на основные физико-механические характеристики композиционной фанеры и получены адекватные регрессионные модели:

а) выходная величина – предел прочности при изгибе:

Y₁ = 56,64 + 5,89 x₁ + 9,48 x₂ + 5,09 x₃ – 2,57 x₄ + 3,10 x₂²+ 3,15 x₃² – 2,95 x₄²;

б) выходная величина – предел прочности при перпендикулярном отрыве:

Y₂ = 0,429 + 0,089 x₁ + 0,056 x₂ + 0,019 x₃ – 0,015 x₄ + 0,011 x₁²– 0,039 x₄²–

– 0,021 x₂ x₃ ;

в) выходная величина – разбухание по толщине:

Y₃ = 13,91 + 1,71 x₁ – 4,71 x₂ – 1,79 x₃ – 5,49 x₄ + 1,69 x₂² – 0,36 x₃² +

+ 1,89 x₂ x₄ + 0,86 x₃ x₄ ;

г) выходная величина – водопоглощение:

Y₄ = 40,56 + 4,46 x₁ – 12,90 x₂ – 5,36 x₃ – 15,93 x₄ + 4,84 x₂² – 2,07 x₁ x₂+

+ 5,02 x₂ x₄ + 1,92 x₃ x₄ .

Анализ полученных математических моделей и их оптимизация при максимизации прочностных и минимизации физических показателей позволили определить рациональные условия производства композиционной фанеры:

плотность внутреннего заполнения – 650 кг/м³; расход связующего – 10% от массы наполнителя; количество модификатора клеевого состава (бутанола-1) – 1,5% от массы жидкой смолы; количество парафиновой добавки – 0,3% от массы наполнителя; температура прессования – 150˚С; давление прессования – 1,8–2,0 МПа; время выдержки под давлением – 0,35–0,40 мин на 1 мм толщины материала.

При соблюдении указанных условий удается получать материалы, конкурирующие по свойствам с фанерой общего назначения – с прочностью при изгибе порядка 60 МПа, прочностью при перпендикулярном отрыве 0,46 МПа, разбуханием по толщине 18%.

В седьмой главе «Применение фурановых олигомеров в производстве композиционных материалов» предложено применение фурановых олигомеров для производства плитных композиционных материалов специального назначения.

В настоящее время фурановые связующие ограниченно используются преимущественно в строительстве, а также для модификации древесины, с целью улучшения био- и огнестойкости и других физико-механических показателей. Основной компонент фурановых смол - фурфурол, который можно получать из отходов лесозаготовок (лесосечных отходов), лесопиления и деревообработки, составляющих от 30 до 45% объема перерабатываемой древесины. Поэтому производство фурфурола и клееных материалов на его основе не только позволит получать малотоксичную продукцию с высокими эксплуатационными характеристиками, но и обеспечит повышение комплексности использования сырья. Необходимость проработки темы обусловлена тем, что высокие физико-механические свойства и пониженная токсичность фанеры, полученной с применением в качестве связующего фурановых смол, позволяют расширить область применения готовой продукции и прогнозировать высокий потребительский спрос. В экспериментальной части работы были отработаны режимы и технология синтеза фурфуролацетонового мономера ФА применительно к производству композиционных материалов, оценены термодинамические и реологические характеристики.

Установлено, что в отличие от традиционных карбамидных и фенольных олигомеров, фурановые отличаются малой вязкостью (25…40 с по ВЗ4мм), поэтому легко проникают в клеточные стенки древесины. При нанесении капли мономера ФА на поверхность образца из древесины березы происходит быстрое и полное растекание ее по поверхности и впитывание в макротрещины (рис. 12а).

в

Рис. 12. Капля мономера ФА

на поверхности субстратов:

а – сосна, б – береза, в – костра льна

На поверхности соснового образца капля мономера ФА распределяется несколько медленнее, однако также имеет место полное растекание и частичное впитывание в макротрещины (рис. 12б). На поверхности частиц костры капля мономера ФА концентрируется на поверхности с образованием положительного краевого угла смачивания (рис. 12в).

Установлено, что мономер ФА наиболее применим в качестве связующего для частиц из хвойных пород древесины, костры льна, соломы злаковых растений и других наполнителей композиционных материалов с небольшой проницаемостью жидкостями и газами.

На рис.13 представлены временные зависимости относительных деформаций для клеевых составов на основе мономера ФА, карбамидо- и фенолформальдегидного олигомеров, рассчитаны реологические характеристики.

Рис. 13. Деформационные кривые:

1 – КФН-66; 2 – СФЖ-3014;

3 – мономер ФА + 0,5% серной кислоты;

4 – мономер ФА + 3% бензолсульфокислоты

С точки зрения соответствия реологических показателей адгезива и субстрата клеевые составы на основе мономера ФА более эффективны для использования в структуре композиционных материалов (по сравнению с карбамидо- и фенолформальдегид-ными олигомерами), так как их модули упругости, эластичности и эластической деформации ниже и приближены к соответствующим

показателям наполнителей, в том числе костры льна.

Результаты испытаний композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна в смеси с мономером ФА показали высокие физико-механические характеристики.

Рекомендованы рациональные технологические режимы производства:

плотность плит 650…750 кг/м³ (в зависимости от вида наполнителя); расход связующего – 15%; количество добавляемого отвердителя (сульфокислоты) – 3…5% от массы жидкого олигомера; температура прессования – 170 ºС; давление прессования – 2 МПа; время выдержки под давлением – 0,6 мин/1мм толщины.

При соблюдении указанных режимов удается получать плитные материалы с высокой прочностью при изгибе (20 МПа и более), повышенной водостойкости (разбухание по толщине составляет менее 10%).

Для оценки содержания токсичных веществ в материалах на основе фурановых смол была разработана и запатентована методика, сущность которой состоит в кипячении образцов плит в этиловом спирте с последующим фотоколориметрическим анализом полученной пробы. Результаты испытаний показали, что в данной продукции содержится менее 3 мг токсичных веществ на 100 г. На основе модифицированного газоаналитического способа определено выделение свободного фурфурола из плит при их эксплуатации, которое составило порядка 0,05 мг/м³.

В восьмой главе «Технико-экономические показатели и внедрение результатов исследований» рассмотрены факторы, определяющие конкурентоспособность новых композиционных материалов, и разработана методика оценки их конкурентоспособности на основе расчета интегрального показателя, обобщающего нормативные, технические, экологические и экономические параметры. Оценка конкурентоспособности композиционных материалов на основе костры льна по данной методике показала, что они вполне могут конкурировать с традиционной плитной древесной продукцией.

Расчет экономической эффективности предлагаемых решений показал, что организация производства композиционных материалов с использованием костры льна позволяет уменьшить себестоимость продукции на 5-10%, повысить рентабельность производства на 2-3% (в зависимости от вида композиционного материала). При этом снижается расход сырья, затраты на его обработку, эффективно утилизируются отходы льнопроизводства, а предприятия получают прибыль, соизмеримую с доходом от реализации традиционных плитных материалов (ДСтП, фанеры). Предложенные в работе технологические мероприятия позволяют увеличить выручку от реализации продукции на 10-25%.

Внедрение результатов исследований осуществлялось:

- при проведении опытно-промышленных испытаний производства костроплит на ОАО «Фанплит», опытно-промышленных испытаний производства композиционной фанеры с внутренним слоем на основе костры льна и древесных отходов на ОАО «Фанплит», ОАО «Мантуровский фанерный комбинат»;

- при проведении производственных испытаний производства фанеры на основе фурановой смолы на ОАО «Фанплит»;

- при разработке технологических инструкций на производство костроплит и композиционной фанеры);

- при разработке проекта реконструкции ОАО «Фанплит» на выпуск композиционной фанеры;

- при совершенствовании учебного процесса.

Blog

Содержание