Формирование древесных материалов на основе измельчённой древесины и костры льна

Перспективой развития и совершенствования производства древесностружечных плит является выпуск конкурентоспособной продукции с высокими физико-механическими характеристикам, широкого ассортимента и в объемах, обеспечивающих потребности внутреннего рынка России, а также экспорта продукции. Это направление в полной мере соответствует государственной политике РФ во внешнеэкономической сфере в связи со вступлением в ВТО и является основным направлением развития отечественной промышленности.

Выпуск плитных материалов с высокими показателями физико-механических и экологических свойств делает их востребованными в строительстве, авто-, вагоностроении, мебельном производстве и других сферах использования. Прогнозирование эксплуатационных свойств плит возможно при изучении физико-химических процессов, происходящих на различных стадиях их производства [50,70]. Изучение принципов физико-химических процессов совмещения исходных компонентов плитных материалов, принципов структурного взаимодействия материала на различных стадиях технологического процесса позволяет управлять технологией с целью создания материалов с заданным комплексом свойств [73].

В настоящее время прослеживается тенденция увеличения объемов выпускаемых древесных плит, что связано с внедрением новых технологий и технологических линий, увеличением потребления древесных плит в строительстве, мебельном производстве и иных сферах. Однако выпускаемая продукция зачастую отличается относительно высокой стоимостью, а также не всегда соответствует требованиям, предъявляем к физико-механическим и экологическим параметрам плит.

Древесное сырье, а также синтетические связующие материалы, в большой степени влияют на конечные свойства древесно-стружечных плит и поэтому являются значимой составляющей экономического влияния на работу современных предприятий. В производстве древесно-плитных материалов сырьевые и материальные затраты занимают значительную долю [54], так, при выпуске древесно-стружечных плит эти затраты составляют от 25 до 30% [82]. Поэтому снижение материалоемкости производства древесных плит является основным путём повышения эффективности его функционирования.

Одним из направлений указанного пути является развитие ресурсосберегающих технологий, предусматривающих использование всевозможных древесных отходов, а также одревесневших отходов перерабатывающих производств сельского хозяйства [83]. Отходы переработки сельскохозяйственных культур (в частности, костра льна) являются доступным и дешевым сырьем для производства древесных плит конструкционного назначения высокого качества.

Применение костры льна или иных однолетних растений в смеси с древесной стружкой в производстве плитных материалов имеет ряд существенных достоинств [85]:

— частицы костры способны склеиваться аналогично древесине, поскольку в состав костры входит, как основной компонент, целлюлоза;

— костра имеет гладкую малопористую поверхность, изолированную водонепроницаемой кутикулой, поэтому при осмолении клей остается на поверхности, не проникая внутрь, что может способствовать сокращению его расхода;

— малые толщины частиц костры заполняют пространства и пустоты, образованные соприкасающимися древесными частицами довольно большой толщины, тонкими частицами костры льна. При этом образуется более монолитный по сравнению с традиционной древесно-стружечной плитой материал, что должно положительным образом сказаться на прочностных характеристиках готовой продукции;

— незначительная толщина отдельных костринок позволяет получать плиты с гладкой поверхностью без дополнительной обработки (шлифования) или с незначительной обработкой.

Однако, костра льна, ежегодно образующаяся в больших объемах на льноперерабатывающих заводах, не находит эффективного применения. Как правило, она сжигается для производства теплоэнергии или вывозится на поля запахивания для естественного перегнивания. В то же время на государственном уровне проблемам углубленной переработки льна и эффективной утилизации отходов льнопроизводства уделяется серьезное внимание. В соответствии с Основами политики РФ в области развития науки и технологий глубокая переработка льна и отходов льнопереработки входит самостоятельным блоком в Перечень «критических технологий» — области отечественных технологических разработок, на реализацию которых должна быть сделана основная ставка отечественных государственных и частных инвесторов [7].

Основными причинами ограниченного использования костры льна в производстве древесно-стружечных плит являются следующие факторы: отсутствие специализированных предприятий по их переработке, нерациональное расположение и разбросанность источников образования отходов и, главным образом, сложность равномерного осмоления частиц костры синтетическими клеями, так как костра льна имеет меньшее поверхностное натяжение по сравнению с древесиной [86]. В этой связи свойства плит, изготовленных с применением костры льна, уступают древесностружечным плитам.

Для обоснованной рекомендации технических и технологических мероприятий по производству древесных плит с использованием костры необходим научный подход к проблеме формирования клеевых соединений частиц наполнителя со связующим, базирующийся на анализе существующих теорий адгезии. Теоретическими вопросами смачивания, адгезии и формирования клеевых соединений занимались российские и зарубежные ученые: А. Адамсон, В. Е. Басин, A.A. Берлин, С. Грег, Б. В. Дерягин, А. Д. Зимон, В. Д. Кузнецов, Ю. Г. Фролов, A.A. Лопаткин, P.P. Майерс, В. Е. Цветков,.

В.И. Азаров, В. А. Баженов, В. А. Васильев, С. П. Исаев, A.A. Леонович, A.M. Михайлов, А. Н. Чубинский и другие.

Многочисленные теории и концепции, которые рассмотрены в работах указанных авторов, касаются, главным образом, фундаментальных вопросов адгезии, а также практических вопросов повышения смачивающей способности клеев по отношению к древесине. Вопросы повышения адгезии клеев применительно к костре льна и совмещенным наполнителям не достаточно изучены. Поэтому использование указанных теоретических положений в области производства плитных материалов на основе измельченной древесины и костры льна с разработкой рекомендаций по модификации клеевых составов является важной и актуальной задачей.

Актуальность работы. Важным направлением деревообрабатывающей промышленности при производстве древесных плит является повышение качества выпускаемой продукции и снижение материалоемкости. Описанные в работе организационные и технические мероприятия по повышению качества стружечных плит, изготовленных из измельченной древесины и костры льна на модифицированном связующем, а также мероприятия по снижению себестоимости продукции являются актуальными.

Цель работы. Повышение эффективности производства стружечных плит из измельчённой древесины и костры льна на модифицированном связующем.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, отражающие логику данного исследования:

1. Обоснование основных закономерностей явлений смачивания, адгезии и ¦ формирования клеевых соединений в структуре плит на основе целлюлозосодержащих наполнителей с применением клеевых составов на основе синтетических олигомеров.

2. Экспериментальная оценка термодинамических свойств клеевых композиций и их влияние на процесс склеивания древесных частиц и костры льна.

3. Обоснование рецептур модифицированных клеевых композиций, обеспечивающих улучшение смачивания и равномерное осмоление частиц костры, высокие адгезионные свойства и качество готовой продукции. Разработка практических рекомендаций по повышению смачивающей способности традиционных синтетических олигомеров по отношению к костре льна и направленному изменению физико-химических свойств клеевых композиций.

4. Разработка технологии производства плитных материалов на основе совмещенных наполнителей и модифицированных клеевых составов, технико-экономическое обоснование предлагаемых технических решений.

Объектом исследования являются древесно-стружечные плиты, включающие древесные частицы и костру льна.

Предметом исследования является технология производства плитных материалов конструкционного назначения на основе древесных частиц, костры льна и модифицированных клеевых составов.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования является теория смачивания и адгезионные явления. Поставленные задачи решались с применением современных компьютерных систем автоматического проектирования, графических и вычислительных программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях по принятым методикам.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы заключается в теоретическом обосновании и разработке ресурсосберегающей технологии создания древесно-стружечных плит конструкционного назначения из измельченной древесины и костры льна на основе модифицированных клеевых составов.

Научная новизна:

1. Рассмотрены теоретические закономерности явлений смачивания и адгезионного взаимодействия применительно к производству плит на основе древесных частиц, костры льна и модифицированных клеевых составов.

2. Доказано, что смачивающая способность синтетических олигомеров повышается при модифицировании их простыми спиртами.

3. Обоснованы рецептуры клеевых композиций обеспечивающих требуемую смачиваемость с использованием традиционных синтетических олигомеров, модифицированных спиртами.

4. Разработаны математико-статистические модели процесса склеивания, описывающие свойства клеевой композиции, позволяющие оптимизировать режимы прессования древесных материалов на основе измельчённой древесины и костры льна.

Соответствие темы и содержания диссертации требованиям паспорта специальности ВАК. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 2. «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки, с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции" — п. 4. «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины" — п. 6. «Исследование и разработка связующих, клеев и лаков для технологии различных деревообрабатывающих производств» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Основные научные положения, выносимые на защиту можно классифицировать как научно обоснованные технические и технологические и организационные решения, направленные на разработку ресурсосберегающей технологии создания древесных плит из измельченной древесины и костры льна на основе модифицированных клеевых составов. Внедрение этих положений вносит значительный вклад в решение проблем функционирования и развития организации производства древесных плит, а также повышения конкурентоспособности продукции.

Указанные положения включают:

1. Теоретические закономерности явлений смачивания, адгезии, формирования клеевых соединений в структуре древесно-стружечных плит с применением костры льна на основе модифицированных клеевых составов.

2. Теоретические и практические результаты исследований, направленных на повышение способности синтетических олигомеров смачивать поверхность костры льна.

3. Результаты исследований термодинамических явлений и их влияния на процесс склеивания древесных частиц и костры льна клеевыми составами на основе синтетических олигомеров.

4. Результаты исследований по модификации синтетических олигомеров применительно к производству плитных материалов с применением костры льна, оценке свойств готовой продукции.

5. Технологию и технико-экономическое обоснование производства стружечных плит из измельченной древесины и костры льна на основе модифицированных клеевых составов.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке ресурсосберегающей технологии производства новых плитных материалов, позволяющей повысить качество и конкурентоспособность продукции из этих материалов. При этом использование отходов деревообработки и первичной переработки льна приводит к повышению экономической эффективности деревообрабатывающей, а также текстильной (льняной) отраслей промышленности.

Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на ОАО «Фанплит», г. Кострома, проектные решения приняты к использованию в проектной практике ООО «Костромалеспроект».

Теоретические положения производства плитных материалов на основе различных наполнителей и методики экспериментальных исследований, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология композиционных материалов», «Технология и применение полимеров в деревообработке».

Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы лесного комплекса», г. Вологда, 2009 г.- «Научному прогрессу — творчество молодых», г. Йошкар-Ола, МарГТУ, 2010 г.- «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона», г. Кострома, 2010, 2012 гг.- «Актуальные проблемы лесного комплекса», г. Брянск, 2011 г., «Материаловедение, наноматериалы, технологии новых материалов» г. Москва, 2009 г., а также на региональных и межвузовских научно-технических конференциях.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 7 статей в рецензируемых журналах и сборниках научных трудов, 5 тезисов в материалах конференций. Общий объем публикаций — 3,4 печатных листов, из них авторских — 2,0 печатных листов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 156 страниц основного машинописного текста, в том числе 37 таблиц, 54 рисунка. Библиографический список включает 104 наименования. В приложении на 23 страницах приведены материалы научно-технической документации и акты внедрения.

4.5. Выводы.

1. Экспериментально установлена возможность совмещения древесного наполнителя и костры льна при производстве плит. Высокими физико-механическими характеристиками обладают плиты с содержанием костры 50 -75%, поскольку в структуре данного материала происходит заполнение пространств и пустот, образованных соприкасающимися древесными частицами довольно большой толщины, тонкими частицами костры льна. Меньшая впитывающая способность костры по сравнению с древесиной позволяет получать плиты с пониженным разбуханием по толщине и водопоглощением.

2. Получены регрессионные модели влияния основных технологических факторов на физико-механические свойства плит на основе древесных частиц, костры льна и модифицированного связующего. Рекомендованы рациональные условия производства плит с характеристиками, соответствующими ГОСТ 10 632–07 [20] и европейского стандарта ЕК 312 [101].

3. Установлено что содержание свободного формальдегида в плитах соответствует классу эмиссии Е1, выделение применяемого модификатора клеевого состава (спирта) соответствует ПДК.

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА СТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ ИЗ ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ И КОСТРЫ ЛЬНА НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СВЯЗУЮЩИХ.

5.1. Технология производства древесно-стружечных плит на основе совмещённых наполнителей.

Производство стружечных плитных материалов из измельченной древесины и костры льна на основе модифицированного связующего (далее древесно-костростружечные плиты — ДКСтП) — сложное многофакторное производство, сочетающее в себе решение целого ряда технологических задач. Для правильного построения технологического процесса производства ДКСтП все звенья производственного процесса должны быть обоснованы и подтверждены соответствующими расчетами.

В ходе работы был разработан проект выпуска конструкционных плит на основе совмещённых наполнителей (ДКСтП) применительно к условиям ОАО «Фанплит», г. Кострома.

По проекту намечается производство однослойных плитных конструкционных материалов из древесины и костры льна в соотношении 1:1 на основе модифицированной карбамидоформальдегидной смолы на базе горячего пресса ПР-6А. Модификатор (бутанол-1) в количестве 2% к массе клея служит эффективной поверхностно-активной добавкой, улучшающей осмоление частиц костры льна, что, в конечном счёте, приводит к повышению эксплуатационных характеристик готовой продукции.

Основные отличия технологии производства ДКСтП от традиционной технологии производства ДСтП заключаются в изменении:

— технологии подготовки клеевого состава, поскольку требуется дополнительная операция введения модификатора смолы;

— организации склада сырья, необходимо введение дополнительного участка подготовки кострового сырья;

— организации начальной подготовки сырья, поскольку не требуется разделения стружки на фракции для наружного и внутреннего слоёв.

Общая схема технологического процесса производства однослойных ДКСтП представлена на рис. 5.1.

Планировка основного технологического оборудования линии производства ДКСтП и планировка оборудования подготовки костры льна перед прессованием представлены на рис. 5.2, 5.3.

Разработанная технологическая инструкция на производство плит с использованием древесных наполнителей, костры льна и модифицированного клея представлена в приложении.

Подготовка древесного наполнителя.

Крупные отходы на сжигание.

Измельченные отходы фанерного производства (карандаш, шпон-рванина, обрезки фанеры).

Сортировка щепы (СЩ-1М).

ТГ.

Бункер щепы (ДБО-60) ж ts S в Я я О. ¦в-к.

Я 03 сС.

Измельчение щепы в стружку (ДС-7А).

Бункер сырой стружки (ДБО-бО) т.

Сушка стружки («Прогресс») izztiw:*!*'?*.

Сортировка сухой стружки (Keller).

Бункер крупной сухой стружки (ДБОС-60) V.

Доизмельчение стружки (ДМ-7).

Бункер кондиционной сухой стружки (ДБОС-60).

Подготовка костры.

Склад костры.

Сортировка костры (СЩ-1М).

— -.~г.

Бункер сырой костры (ДБО-бО) Расходный бункер костры (ДБД-1).

——-с——.

Крупная фракция, пыльч на сжиганиет->

Сушка костры («Прогресс»).

Бункер сухой костры (ДБОС-60).

———Г" .

Измельчение костры (ДМ-7).

— с-:

Сортировка костры (ДРС-2).

— 5−1.

Бункер сухой кондиционной костры (ДБОС-бО) Л, а S га О.

•во?

СЗ X X О S В 5 ч X о <ц ас.

Осмоление древесно-костровой смеси.

Клеевой состав с модификатором.

Формирование стружечного ковра, подпрессовка (ПР-5), горячее прессование (ПР-6А), форматная обрезка, (шлифование),.

Рис. 5.1. Структурная блок-схема производства однослойных древесно-стружечных плит с применением костры льна.

Меганичкка* «асящк» Оя.

Пргссобаяьма*.

С плод оборудования.

С плод.

С*лс4 гс-яовос яроЦмиии щ1 ¦

— И I.

Сон}ел*м1Л1 оЗрайоаяи.

ЬООО.

План на отм. +3.300.

Рис. 5.2. Планировка основного технологического оборудования линии производства древесно-стружечных плит с применением костры льна.

Спецификация основного технологического оборудования (рис. 5.2): 1 — главный транспортёр- 2 — форммашина С lassi former- 3 — пресс для подпрессовки ГТР-5- 4 — металлоуловитель- 5 — скоростной смеситель «Научплитпром" — 6 — дымосос- 7 — сушильный барабан «Прогресс" — 8 — пресс для горячего прессования ПР-6А- 9 — обрезной станок ДЦ-ЗМ- 10 — стружечный станок ДС-8- 11 — центробежный стружечный станок ВК-МК-14- 12 -транспортёр- 13 — молотковая дробилка ДМ-7- 14 — центробежный стружечный станок ДС-7А- 15 — сортировка стружки Classiformer- 16 — шлифовально-калибровальный станок Steinemann- 17 — раскроечный станок- 18 — бункер ДБД-1- 19 — бункер веритикальный ДБО-60−1- 20,21 — бункер ДБОС-бО.

План на отм. 0.000 3 2 1.

Рис. 5.3. Планировка оборудования подготовки костры льна перед подачей в смеситель.

Спецификация оборудования участка подготовки костры льна перед прессованием (рис. 5.3): 1 — сушильный барабан «Прогресс" — 2 — молотковая дробилка ДМ-7- 3 — сортировка костры ДРС-2- 4 — бункер ДБО-бО- 5 — бункер ДБД-1- 6 — бункер (расходный) ДБОС-бО- 7 — бункер ДБОС-60- 8 — конвейер.

Расчёты технологического процесса на ОАО «Фанплит» по производству древесно-стружечных плит на основе совмещенных наполнителей показали, что выпуск на предприятии плит с применением древесины и костры льна возможен. В отличие от выпуска ДСтП происходит снижение технологической потребности в смоле, за счёт введения модифицирующей добавки, снижение затрат на электроэнергию, за счёт снижения загрузки энергоёмкого оборудования, отвечающего за подготовку древесной стружки, даже несмотря на введение дополнительных единиц оборудования. Некоторое уменьшение производственных затрат наблюдается за счет экономии в электроэнергии на участке сушки костры, так как ее исходная влажность при соответствующих способах хранения незначительная (до 30%). Таким образом, производственные затраты на древесно-костростружечные плиты снижаются, что положительно отражается на снижении их себестоимости.

5.2. Экономическое обоснование.

Для производства стружечных плит с применением костры льна выполнен технико-экономический анализ перехода производства древесностружечных плит на частичный выпуск древесно-костростружечных плит применительно к цеху древесно-стружечных плит ОАО «Фанплит», г. Кострома. Рассчитана калькуляция себестоимости продукции [46,76], представлены основные технико-экономические показатели производства ДКСтП.

Расчет продукции выполнен на основании себестоимости древесностружечных плит, взятой по данным предприятия на конец 2011 г. Расчёт товарной продукции представлен в табл. 5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Теоретически обоснованы закономерностей явлений смачивания, адгезии и формирования клеевых соединений в структуре плитных материалов на основе целлюлозосодержащих наполнителей с применением клеевых составов на основе синтетических олигомеров. Установлено, что костра льна, как наполнитель плит, неравномерно осмоляется синтетическими клеями, поскольку имеет меньшее поверхностное натяжение по сравнению с древесиной. Свойства плит, изготовленных с применением костры льна и традиционных синтетических клеев, уступают свойствам древесностружечных плит. Установлено, что повышение свойств плит, изготовленных с применением костры, возможно при применении клеев с пониженной величиной поверхностного натяжения.

2. Экспериментально оценены термодинамические свойства клеевых композиций на основе карбамидоформальдегидных и фенолформальдегидных смол, модифицированных простыми спиртамивеличины поверхностного натяжения и краевые углы смачивания. Установлено, что при введении в клеевые составы простых спиртов происходит уменьшение поверхностного натяжения и краевых углов смачивания, что приводит к равномерности осмоления частиц наполнителя, повышению работы адгезии, повышению физико-механических свойств плит.

3. Обоснованы рецептуры клеевых композиций на основе карбамидоформальдегидных и фенолформальдегидных смол, модифицированных простыми спиртами для обеспечения равномерного осмоления частиц костры, высоких адгезионных свойств, требуемых физико-механических показателей плит. Установлено, что для модификации карбамидои фенолформальдегидных смол, применяемых для осмоления костры льна эффективными модификаторами являются бутиловый, изопропиловый, этиловый спирты в количестве 2.3% от массы жидкой смолы. Плиты, изготовленные с применением модифицированных клеев удовлетворяют основным требованиям ГОСТ 10 632–2007.

4. Путем математической обработки результатов многофакторного планирования обоснованы рациональные технологические параметры прессования плит с использованием совмещенных наполнителей (костры льна, древесных частиц) и модифицированного карбамидоформальдегидного клея. Разработаны технологические рекомендации по их производству. Доказана экономическая эффективность производства плит с использованием в качестве наполнителя костры льна. Установлено, что при организации производства плитных материалов с использованием костры льна уменьшается себестоимость продукции до 10%, повышается рентабельность производства до 3,2%, снижается расход древесного сырья, затраты на его обработку, эффективно утилизируются отходы льнопроизводства.