IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

В настоящее время отечественная промышленность выпускает довольно большой спектр плитных клееных материалов конструкционного назначения  на основе древесных отходов и синтетических смол - древесностружечные плиты, древесноволокнистые плиты, фанеру, МDF, OSB и другие. Они широко используются в строительстве, мебельном производстве, авто-, вагоно-, контейнеростроении и других сферах благодаря относительной дешевизне и удовлетворительным эксплуатационным характеристикам. Мировое производство и потребление плит возрастают с каждым годом, вытесняя пиломатериалы и изделия из натуральной древесины [1,2], в связи с наличием множества преимуществ - относительно малая стоимость, широкая область применения, достаточная  прочность, однородность материала, легкость в обработке и др. Однако древесные плиты изготавливаются с применением синтетических смол, в связи с чем обладают рядом  недостатков, прежде всего, токсичностью за счет присутствия свободных веществ (формальдегида и фенола), непрореагированных в ходе отверждения смол.

Фенол и формальдегид - мощные раздражители глаз, верхних дыхательных путей и кожи. По свидетельству ряда исследований, они также оказывают влияние на центральную нервную систему, вызывая головные боли, усталость и депрессию, потенциально могут вызывать астму и астматические приступы. Кроме того, исследования на животных позволяют предположить, что эти вещества - потенциально канцерогенные вещества [3].

За последние десятилетия разработаны и внедрены различные способы снижения токсичности плитных древесных материалов, однако  проблема производства малотоксичных или экологически чистых древесных плит остается актуальной, прежде всего в связи с ужесточением требований нормативно-технических документов по содержанию токсичных веществ в древесной продукции и в жилых помещениях.

Одним из способов кардинального снижения токсичности плитной древесной продукции является изготовление материалов без добавления синтетических связующих, так называемых пьезотермопластиков [4]. Известно, что под влиянием давления и температуры измельченные древесные частицы приобретают способность образовывать прочный и твердый монолитный материал темного цвета, повторяющий конфигурацию формы. В результате термогидролитической деструкции древесного комплекса наибольшие изменения претерпевают легкогидролизуемые углеводы и низкомолекулярные фракции лигнина - они и выполняют роль связующего вещества, в то время как целлюлоза является армирующим, упрочняющим материал наполнителем, а роль пластификаторов выполняют низкомолекулярные компоненты древесины [5].

Свойства пластиков без применения синтетических связующих веществ можно регулировать, разумно используя химические свойства и физическую структуру компонентов древесного комплекса, возможности протекающих при этом процессов, очевидно, далеко не исчерпаны.

Известны несколько способов производства пьезотермопластиков [6]. Технологически прост способ производства в открытых пресс-формах (многопролетных плоских прессах). Для оценки его эффективности лабораторных условиях были изготовлены образцы пластиков на основе частиц целлюлозосодержащих  частиц различных фракций на базе горячего пресса П100-400.

Последовательность проведения экспериментов:

1. Отбор порций наполнителя соответствующих пород и фракций для изготовления единичного образца (Рис.1).
2. Увлажнение порции наполнителя для доведения влажности до требуемого уровня (Рис.1).
3. Укладка наполнителя в форму, холодная подпрессовка при давлении 1 МПа для формирования транспортабельного брикета (Рис.2).
4. Горячее прессование брикета при рабочем давлении 5 МПа, температуре плит пресса 180°С с плавным охлаждением при сохранении рабочего давления (Рис. 3).
5. Нормализация качества полученных образцов при нормальных условиях в течение 1 суток.
6. Раскрой плит на образцы и проведение испытаний физико-механических свойств пластиков (Рис. 4).
7. Анализ полученных результатов (Рис.5).

Физико-механические характеристики полученных образцов оценивались по стандартным методикам для  древесных плит: прочностные показатели  по ГОСТ 10635-78, ГОСТ 10636-78, физические показатели по  ГОСТ 10634-88.

В табл. 1 представлены основные физико-механические показатели изготовленных пластиков при влажности наполнителя 20%.

Таблица 1 Физико-механические свойства пластиков

№	Напол-нитель	Фрак-ция, мм	Предел прочности при изгибе, МПа	Разбуха-ние по толщине, %	Объемное разбуха-ние, %	Водопогло-щение, %	Потеря массы при горении, %
1	Береза	0,5 / -	10,3	10,89	12,49	10,63	5,6
2	Сосна	0,5 / -	11,1	8,21	9,36	6,22	11,9
3	Сосна	10 / 0,5	7,9	50,09	58,59	43,64	4,3
4	Костра льна	5 / 0,5	3,4	1,85	4,04	9,12	7,2

Полученные в ходе экспериментов данные показывают, что в открытых пресс-формах имеется возможность получения пьезотермопластиков высокого качества, при этом предпочтительно использовать как лиственные, так и хвойные породы минимального фракционного размера для образования максимального количества химических связей между частицами. Полученный материал обладает достаточной прочностью и водостойкостью.

Зависимость предела прочности пластиков при статическом изгибе в зависимости от вида наполнителя представлена на рис. 6, потеря массы при горении представлена на рис. 7.

С целью оценки кинетики разбухания и водопоглощения пластиков был проведен эксперимент по длительному вымачиванию образцов с периодическим замером их линейных параметров и массы. Сводные результаты представлены на рис. 8, 9.

Анализ полученных данных показывает, что пластики на основе мелкой фракции всех рассмотренных целлюлозосодержащих частиц обладают малыми значениями разбухания и водопоглощения. Наибольшее изменение линейных размеров и массы происходит за первые сутки вымачивания, далее процессы стабилизируются.

Технологический процесс производства пластиков малопроизводителен, так как в цикле прессования должна присутствовать стадия охлаждения материала при рабочем давлении для образования химических связей между частицами наполнителя, которая может занимать в зависимости от эффективности охлаждения плит от 30 мин до нескольких часов. С целью оценки возможности интенсификации процесса прессования был проведен эксперимент по производству пластиков с охлаждением плит  пресса до 100°С, снятием давления при этой температуре. В результате снятия давления при температуре кипения воды образовавшаяся парогазовоздушная смесь интенсивно выходит из материала с образованием микро- и макротрещин (рис. 10).

В ходе нормализации качества (выдержки при нормальных условиях) трещины увеличиваются в размерах за счет изменения внутренних напряжений и усушки материала (рис. 11). Кроме этого образец пластика подвергается короблению (рис. 12).

Поэтому для получения качественного материала необходимо охлаждение материала при рабочем давлении до температуры, как можно ближе к нормальной (18...25°С). При этом происходит постепенное образование связей между частицами и плавное снижение давления парогазовоздушной смеси.

Анализ экспериментальных данных показал, что в  краевой зоне равной 5...6 см не происходит набора прочности  пластика, там меньше выделения клеящих продуктов распада лигнин-углеводной части древесины (рис. 13). Внутренняя структура данной зоны рыхлая, малопрочная (рис. 13), что объясняется недостатком влаги за счет ее испарения с торцев материала а также постоянным выходом парогазовой смеси, приводящей к распаду образованных клеевых и химических связей.  При производстве плит большого формата в производственных условиях это вполне допустимо, данная зона будет задействована при форматной обрезке материала.

На границе краевой и внутренней зон происходит наплыв выделившихся клеевых соединений (рис. 14), что отражается в изменении  цвета. Во внутреннем слое, особенно в зонах, близких к краевой, заметны наплывы «отвержденного клея» (рис. 14), выделившегося в процессе деструкции древесины и участвующего в соедиинении древесных частиц.

В пластике из крупной фракции древесины (рис. 15) наблюдаются микропустоты, образованные при соприкосновении частиц. В пластиках из мелкой фракции (рис. 15) более сплошная структура - большая прочность.

Применительно к  условиям ОАО «Фангплит», г. Кострома проведены  технологические расчеты и выполнены планировочные решения для организации производства пьезотермопластиков в поточной линии.

В результате реконструкции существующего технологического процесса производства фанеры ФК на ОАО "Фанплит" получены следующие результаты. Намеченная к производству продукция обладает высокими эксплуатационными свойствами, сравнимыми с фанерой марки ФК. На основании показателей экономического и технологического расчетов произошло снижение расхода сырья (фанерного кряжа) в связи с  технологическими особенностями производства пьезотермопластика. При этом её средняя оптовая цена за 1 м³ повысилась на 0,4%, что положительно скажется на поддержании достойного спроса. Для предполагаемых изменений в производстве потребуется 1350,7 тыс. руб. на приобретение оборудования, создание дополнительных производственных запасов основных материалов, разработку технологической части. Эти затраты окупаются за 8,4 месяцев за счет увеличения рентабельности продукции на 0,7 %, уменьшения себестоимости товарной продукции на 0,2 %, увеличения чистой выручки на 1,5 %

Основные результаты работы переданы для промышленного использования на профильном предприятии по производству плитной древесной продукции - ОАО «Фанплит», г. Кострома.

Техническими требованиями на все плитные клееные древесные материалы ограничивается содержание свободного формальдегида, которое в соответствии с российскими и мировыми нормами для  класса эмиссии Е1 не должно превышать 8 мг/100 г продукции.

Полученные образцы пьезотермопластиков № 1,2 (из лиственных и хвойных пород древесных частиц фракции 0,5/-) были переданы в   санитарно - экологическую лабораторию ОАО «Фанплит»  для оценки токсичности стандартным перфораторным методом по ГОСТ 27678-88.

Установлено, что в образце №1 содержится 2,9 мг, в образце №2 - 1,0 мг свободного формальдегида на 100 г пластика. Содержание свободного формальдегида в пьезотермопластиках несколько раз ниже допустимых требований  к древесной плитной продукции, что позволяет классифицировать  данный материал как экологически чистый. Несущественное содержание свободного формальдегида объясняется выделением формальдегида в результате термогидроллитической деструкции компонентов древесины (прежде всего, пентозанной части).

Общие выводы и рекомендации

1. Проведены экспериментальные исследования по производству и испытанию физико-механических свойств пьезотермопластиков. Установлено, что для производства качественных пластиков необходимо применение целлюлозосодержащих частиц минимального фракционного размера (0,5/-) влажностью порядка 20%. Температура прессования должна быть порядка 180°С, необходимо охлаждение материала до нормальной температуры при рабочем давлении от 5 МПа для формирования химических связей между частицами. По своим эксплуатационным характеристикам пластики превышают традиционные клееные древесные плитнные материалы.
2. Оценена токсичность пластиков в условиях санитарно - экологической лаборатории. Установлено, что за счет отсутствия синтетических связующих пластики содержат в своем составе минимальное количество свободного формальдегида, выделяющегося только в результате термодеструкции древесины. Полученные результаты позволяют классифицировать пластик как экологически чистый материал, что позволяет их использовать в мебельной промышленности, строительстве и других сферах без ограничения.
3. Теоретически описаны процессы, происходящие при структурировании пьезотермопластиков. Установлено, что основа прочности материала достигается за счет образования химических связей между частицами наполнителя в результате термодеструкции древесины, а также за счет выделившихся и перешедших в отвержденное состояние клеящих веществ.
4. Разработана технология производства пезотермоплатиков на базе клеильного пресса ОАО «Фанплит» из образующихся древесных отходов.
5. Проведен технико-экономический расчет, в результате чего подтверждается целесообразность производства экологически чистых пьезотермопластиков.

Направления дальнейших исследований

1. Дальнейшая отработка технологических параметров производства пластиков с целью интенсификации процесса, снижения времени цикла прессования, повышения эксплуатационных характеристик.
2. Расчет экономической эффективности производства пьезотермопластиков, оценка их конкурентоспособности по сравнению с традиционными древесными материалами.
3. Разработка технологических рекомендаций по производству пьезотермопластиков в условиях действующих плитных производств.

Список литературы

1. Мелони Т. Современное производство древесностружечных и древесноволокнистых плит / Т. Мелони; пер. с англ. А. А. Амалицкого, Е.И. Карасова. - М. : Лесная промышленность, 1982. - 416 с.
2. Мельникова Л.В. Технология композиционных материалов из древесины: учебник для студентов спец. « Технология деревообработки» / Л.В. Мельникова. - 3-е изд. - М.: МГУЛ, 2007.-235 с.
3. Азаров В.И., Цветков В. Е. Технология связующих и полимерных материалов / В. И. Азаров, В. Е. Цветков. - М.: Лесная промышленность, 1985. - 216 с.
4. Минин А.Н. Технология пьезотермопластиков / А.Н. Минин, - М.: Лесная промышленность, 1965. - 296 с.
5. О получении древесного пластика без связующего / Н.Я. Солнечник [и др.] // Деревообрабатывающая промышленность. - 1963. - Вып.3 - С.9-11.
6. Плитные материалы и изделия из древесины и других одревесневших остатков без добавления связующих  / В.Н. Петри [и др.]. - М.: Лесная промышленность, 1976. - 360 с.

Список опубликованных работ по теме исследования

1. Осетров А.В. Перспективы производства лигноуглеводных пластиков / А.В. Осетров, С.А. Угрюмов // Научные труды молодых ученых КГТУ. - Вып. 12. - Часть 1. - Кострома: КГТУ, 2011. - с. 79-82.
2. Угрюмов С.А., Осетров А.В. Экологически чистые композиционные материалы конструкционного назначения на основе отходов деревообработки // Вестник КГТУ: рецензируемый периодический научный журнал. - Кострома: КГТУ, 2011 - №1(26). -с. 48-51.
3. Осетров А.В. Экологически чистые плитные композиционные материалы на основе целлюлозосодержащих отходов // Научно- техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: Сборник докладов III Международной научно-технической конференции. - М.: МГСУ, 2011.- с. 128-130.
4. Осетров А.В. Способы производства и свойства пьезотермопластиков // Студенты и молодые ученые КГТУ - производству: материалы 63-й межвузовской научно-технической конференции. - Кострома: КГТУ, 2011. - с. 124-125.
5. Осетров А.В. Исследование свойств композиционные материалов на основе древесных отходов (пьезотермопластиков). [Электр. ресурс] // Образование, наука, производство: материалы V Международного студенческого форума. - Белгород: БГТА им. В.Г. Шухова, 2011.

Код для цитирования: Скопировать