10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лесосибирский филиал "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева"

Экспериментально-теоретическое обоснование физико-химических превращений древесной биомассы в технологии производства древесноволокнистых плит

М.А. Зырянов, И.А. Дресвянкин, А.В. Рубинская

Аннотация: в соответствии с теорией математическо-статистического моделирования, выполнено планирование исследований, выбраны основные характеристики моделей, описывающие исследуемый процесс производства древесноволокнистых плит с использованием различных видов связующего. В соответствии с разработанным планом исследований выбраны контролируемые, неконтролируемые и управляемые факторы исследуемого процесса. Представлены уровни, шаги и интервалы варьирования исследуемых факторов. В качестве метода получения математических зависимостей качественных показателей древесноволокнистых плит от вида используемого связующего вещества был принят активный однофакторный эксперимент. По результатам исследований проведен статистический анализ зависимости физико-механических характеристик показателей готовой плиты от толщины ДВП изготовленным мокрым и сухим способами, дана интерпретация результатов исследований, установлены количественные и качественные взаимосвязи между исследуемыми параметрами.

Ключевые слова: прочность, водопоглощение, смола, древесноволокнистая плита, толщина, эксперимент, планирование, математическая модель.

Производство древесноволокнистых плит (ДВП) является одним из перспективных направлений по улучшению комплексного использования древесины на деревоперерабатывающих предприятиях [1-7].

На сегодняшний день наибольшее распространение получили производство ДВП по сухому и мокрому способу. При сухом способе производства формование ковра происходит в воздушной среде (влажность ковра составляет 5-8%), подготовка древесных полуфабрикатов осуществляется в одну ступень на быстроходных рафинерах, при этом, степень помола древесноволокнистой массы составляет 14-17 ДС [1, 2].

В технологии производства ДВП как сухим, так и мокрым способами в качестве связующего используют термореактивные карбамидоформальдегидные (КФС), карбамидомеламиноформальдегидные (КМФС) и фенолформальдегидные (ФФС) смолы [8].

К преимуществу применения КФС при производстве ДВП можно отнести низкую себестоимость связующего, к недостаткам - низкую гидролитическую стойкость, выделение формальдегида в процессе получения и эксплуатации древесных плит. К преимуществам КМФС можно отнести низкую эмиссию формальдегида при переработке и эксплуатации древесных плит, повышенную влагостойкость, к недостаткам - более высокую себестоимость связующих по сравнению с КФС. Использование ФФС позволяет получать атмосферостойкие композиты, обладающие относительно низкой себестоимостью, к недостаткам ФФС можно отнести относительно низкую скорость отверждения, выделение фенола в процессе получения древесных композитов [8, 9].

В результате, целью настоящей работы являлось научно обосновать и экспериментально подтвердить влияние вида связующего на физико-механические показатели и геометрические характеристики древесноволокнистых плит.

Для достижения поставленной цели были использованы методы математическо-статистического планирования, позволяющие получить математическое описание исследуемого процесса изготовления древесноволокнистых плит мокрым и сухим способом с применением различных смол в качестве связующего. Для получения математического описания исследуемого процесса был принят активный однофакторный эксперимент. Выполнено планирование экспериментальных исследований, выбраны основные характеристики моделей для мокрого и сухого способов производства ДВП.

Как известно, геометрической характеристикой ДВП является ее толщина. Толщина характеризует еще и материалоемкость плит [6]. Отклонение по толщине, в соответствии с ТУ 133-31-07-99, составляет ±0,2 мм. Например, при номинальной толщине плиты 5 мм фактическая ее толщина должна находиться в пределах 4,8-5,2 мм.

В результате в качестве входного параметра исследуемого процесса была выбрана толщина древесноволокнистых плит изготовленных мокрым (Т_М) и сухим (Т_С) способами производства. В качестве контролируемых параметров эксперимента были выбраны: водопоглощение плиты за 24 часа (S) и прочность (Pr). Неконтролируемые факторы - это геометрические и физико-механические характеристики процесса, которые были зафиксированы на необходимых для каждого эксперимента уровнях. Все входные и неконтролируемые факторы исследований для проведения экспериментов устанавливались согласно возможностям заводов по производству ДВП, не нарушая технологические процессы производства.

В ходе многочисленных предварительных экспериментов были выбраны следующие входные параметры исследуемого процесса, определены интервалы их варьирования: 2 (±0,2) ? Т_М ? 4 (±0,2) мм; 2 (±0,2) ? Т_С ? 6 (±0,2) мм. Составлена функциональная зависимость физико-механических показателей древесноволокнистых плит с добавлением одной из смол (карбамидоформальдегидной, фенолоформальдегидной, карбамидомеламиноформальдегидной) от толщины плиты:

Pr, S = f (Т_М, ТС), (1)

Экспериментальной базой для реализации серии экспериментов являлись деревоперерабатывающие предприятия города Лесосибирска: ОАО "Новоенисейский ЛХК" и ОАО "Лесосибирский ЛДК-1", а так же лаборатория "Лесоперерабатывающей целлюлозно-бумажной и химической технологии древесины" Лесосибирского филиала СибГАУ.

Согласно плану эксперимента, отбиралось необходимое количество древесноволокнистой массы полученной на промышленных дисковых размалывающих машинах для формирования прессмасс, формования ковра и прессования опытных образцов в лабораторных условиях, при всех прочих равных условиях технологии получения плит.

Формование и прессование экспериментальных плит, а так же их оценку размерно-качественных характеристик осуществляли на лабораторных установках в Лесосибирском филиале СибГАУ.

В качестве сырья для производства ДВП использовали щепу, отвечающую требованиям ГОСТ 15815-83 "Щепа технологическая. Технические условия".

В процессе исследований производства древесноволокнистых плит мокрым способом, в качестве осадителя использовали водный раствор серной кислоты (концентрация 1 %) и парафиновую эмульсию (парафин технический ГОСТ23683-89) для придания плитам водостойкости. В качестве связующего вещества были использованы смолы: карбамидоформальдегидная марки КФ-МТ-15, отвечающая требованиям ТУ 6-06-12-88 "Смола карбамидоформальдегидная, марка КФ-МТ-15. Технические условия", фенолоформальдегидная СФЖ-3024 К ГОСТ 20907-75, карбамидомеламиноформальдегидная марки КМФ-1 отвечающая требованиям ТУ 13-410-78 "Смола карбамидомеламиноформальдегидная, марка КМФ-1. Технические условия".

При производстве древесноволокнистых плит сухим способом использовали следующие материалы: смола карбамидоформальдегидная марки КФ-МТ-15, отвечающая требованиям ТУ 6-06-12-88 "Смола карбамидоформальдегидная, марка КФ-МТ-15. Технические условия", Смола фенолоформальдегидная СФЖ-3024 К ГОСТ 20907-75, смола карбамидомеламиноформальдегидная марки КМФ-1 отвечающая требованиям ТУ 13-410-78 "Смола карбамидомеламиноформальдегидная, марка КМФ-1. Технические условия"; водный раствор серной кислоты концентрации 1 % - в качестве осадителя, ГОСТ 4598-86; а также парафины нефтяные, отвечающие требованиям ГОСТ 23683-89 "Парафины нефтяные твердые. Технические условия".

При проведении эксперимента изменяли значения толщины плиты от 2 до 6 мм, с добавлением 1% различных видов смол. Эксперименты проводились при всех прочих равных условиях. Подготовленная смола заливалась в расходную емкость (пулевизатор) над смесителем, откуда с помощью давления сжатого воздуха распылялась на волокно, перемешивалась в смесителе.

Затем измеряли значения показателей водопоглощения плиты за 24 часа и прочности при статическом изгибе. Значения физико-механических показателей плит определяли стандартными методами в соответствии с ГОСТ 19592-80 "Плиты древесноволокнистые. Методы испытаний".

Регрессионный и математический анализ, оценка влияния каждого входного фактора исследований на выходные показатели производились при помощи программ STATISTICA - 8 и Microsoft Excel 2010.

На основании математическо-статистического анализа экспериментальных данных получено математическое описание исследуемого процесса в виде уравнений аналогично как для сухого:

Pr_ФКФС = 30,81 + 4,42·Т_С - 0,27·Т_С², (2)

Pr_ФФС = 33,93+2,50·Т_С - 0,11·Т_С², (3)

Pr_КФС = 34,12+ 2,58·Т_С - 0,18·Т_С², (4)

S_ФКФС = 36, 70 - 4, 50·Т_С + 0,29·Т_С², (5)

S_ФФС = 40,02 - 5,52·Т_С + 0,42·Т_С², (6)

S_КФС = 40,18 - 5,10·Т_С + 0,35·Т_С², (7)

так и мокрого способов производства ДВП:

Pr_КФС = 29,9 + 3,68·Т_М - 0,4·Т_М², (8)

Pr_ФФС = 28,27 + 5,36·Т_М - 0,66·Т_М², (9)

Pr_ФКФС = 32,25 + 3,13·Т_М - 0,23·Т_М² (10)

S_ФКФС = 42,37 - 5,39·Т_М + 0,69·Т_М² (11)

S_КФС = 49,24 - 8, 19·Т_М + 0,97·Т_М², (12)

S_ФФС = 44,96 - 5,23·Т_М + 0,57·Т_М², (13)

Расчет коэффициентов регрессии осуществлялся по стандартной методике, их значимость оценивалась при помощи критерия Стьюдента. Проверка адекватности математических моделей исследуемому процессу проводилась по критерию Фишера [10].

Для наглядности результатов исследований по полученным экспериментальным данным построены графические зависимости представленные на рисунках 1-4.

Анализируя графические зависимости толщины твердых древесноволокнистых плит произведенных сухим и мокрым способами, можно прогнозировать ее значение в зависимости от вида используемой смолы.

Прочность при статическом изгибе, с увеличением толщины плиты в значительной степени зависит от качества клеевого соединения.

Рис. 1. - Зависимость прочности ДВП от вида используемой смолы для плит сухим способом производства разной толщины

Рис. 2. - Зависимость прочности ДВП от вида используемой смолы для плит мокрым способом производства разной толщины

Как наглядно демонстрируют графические зависимости, представленные на рисунках 1 и 2 древесноволокнистые плиты, полученные с использованием КМФС смолы имеют наибольшие значения показателя прочности. При увеличении толщины плиты значение показателя прочности имеет тенденцию к увеличению. Так древесноволокнистая плита полученная сухим способом производства достигает значение прочности 47-46 МПа при толщине 6 мм. Плита полученная мокрым способом производства достигает максимальное значение прочности равное 41-41,3 МПа при 4 мм.

Таким образом, можно отметить, что вид связующего, как и морфологические характеристики древесного волокна существенно сказываются на значении показателя прочности плиты. Об этом свидетельствуют и полученные нами результаты исследований показателя прочности ДВП от исследуемых параметров процесса получения готовой плиты, а так же построенные графические зависимости.

Анализ графических зависимостей, представленных на рисунках 3 и 4 показал, что древесноволокнистые плиты, полученные с использованием КМФС смолы имеют наименьшие значения показателя водопоглощения плиты за 24 часа. Значение показателя водопоглощения достигает своего наименьшего значения равное 22,1-22,6% при толщине плиты полученной мокрым способом - 3-3,5 мм, сухим способом производства - 4,5-5 мм. С дальнейшим увеличением толщины плиты водопоглощение ухудшается.

Рис. 3. - Зависимость водопоглощения ДВП за 24 часа от вида используемой смолы для плит сухим способом производства разной толщины

Рис. 4. - Зависимость водопоглощения ДВП от вида используемой смолы для плит мокрым способом производства разной толщины

древесноволокнистая плита древесная биомасса

Таким образом, проведенные исследования показали, что карбамидомеламиноформальдегидную смолу можно использовать в производствах ДВП в полном объеме, не нарушая технологических процессов, не ухудшая физико-механические показатели готовых плит и экологическую обстановку в регионе.

Литература