Совершенствование эксплуатационных свойств фанеры для строительства путем маслотермообработки

Актуальность темы

Увеличение объемов малоэтажного жилищного строительства определило востребованность плитных, в том числе клееных слоистых, материалов из древесины, в частности фанеры, способных эксплуатироваться в условиях переменной влажности и температуры. Их используют в качестве деталей ограждающих или несущих конструкций. Основные требования, предъявляемые к строительным конструкциям, -долговечность, минимальная формоизменяемость и нетоксичность. Как и массивная древесина, фанера гигроскопична. При эксплуатации это приводит к формоизменяемости и биопоражениям, потере прочности и упругости конструкции из фанеры. Без специальных средств и способов защиты древесные материалы имеют ограниченный срок службы.

До 2003 года одним из основных способов защиты древесины от внешних воздействий являлась химическая обработка. С 2004 года в странах Евросоюза химическая обработка древесины веществами, содержащими соли тяжелых металлов, запрещена по причине их вредного влияния на окружающую среду.

За последние 10−15 лет для защиты древесины от влажностных воздействий широкое применение нашли технологии термической обработки. Термообработка древесины существенно уменьшает разбухание, усушку, повышает биостойкость, теплоизолирующие и эстетические качества. Повышение этих свойств древесного вещества обусловлено воздействием высокой температуры на его химическую структуру — в основном за счет термодеструкции гемицеллюлоз. Однако по причине деструкции древесного вещества увеличивается его водопоглощение. Несмотря на ряд достоинств, основным недостатком известных технологий термообработки (Thermowood, Barkett, West-Wood, Bua Pezdyuz^ Process Plato, др.), является снижение физико-механических показателей термообработанной древесины (например, уменьшение предела прочности термообработанной древесины березы при растяжении вдоль волокон — на 40%- при статическом изгибе — на 47%). 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, которая отличается высокой стойкостью к биологическим воздействиям. Особое место среди древесин хвойных пород занимает лиственница. По европейскому стандарту ЕЫ 350−2:1994 она относится к группе очень стойких к гниению пород. Придание фанере из древесины лиственницы высоких водоотталкивающих свойств обеспечивает 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, необходимость обеспечения основных требований к ней как к строительному материалу путем ее защиты от внешних воздействий, недостатки ряда методов защиты, установленная эффективность защиты древесных материалов маслотермообработкой-позволяют заключить, что принятое направление исследования актуально.

Цель работы — повышение водоотталкивающих свойств фанеры из древесины лиственницы маслотермообработкой при сохранении прочности для расширения области и объемов ее применения в строительстве.

Объект исследования — фанера марки ФСФ из древесины лиственницы.

Предметом исследования являются процессы, происходящие при маслотермообработке фанеры, а также условия маслопропитки и термообработки фанеры и их влияние на физико-механические показатели 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 разбуханиепрочность фанеры после обработки.

3. Обоснована экологическая составляющая процесса маслотермообработки и маслотермообработанной фанеры.

4. Предложена методика оценки долговечности и ориентировочно обоснована долговечность маслотермообработанной фанеры.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается логичностью общего методического построения работы, корректностью методик экспериментов, в том числе методов планирования многофакторных экспериментов, обоснованностью на основе литературных источников ряда логических построений, приемлемым совпадением результатов теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных испытаний.

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.

Место проведения. Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С. М. Кирова на кафедрах технологии деревообрабатывающих производств, лесохимических производств и биологически активных веществ, в ЗАО «Технопарк ЛТА», на кафедре технологии деревообрабатывающих производств Хельсинского технологического университета.

Апробация работы. Основные положения, разработанные в диссертации, отдельные ее разделы были рассмотрены на следующих научно-технических конференциях и форуме:

— Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка», 10 ноября 2009 г.;

— Международный молодежный форум «Новая волна-2009», 4 декабря 2009 г.

— Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы механической технологии древесины», 26 марта 2010 г.

— V Санкт-Петербургская международная конференция, организованная ООО «ЦНИИФ», 24 ноября 2010 г.

— Научно-техническая конференция Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии по итогам научно-исследовательских работ 2010 года, 28 января 2011 г.

Реализация и внедрения результатов работы. Маслотермообработка фанеры проведена на предприятии ЗАО «Технопарк ЛТА» по разработанному режиму. 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, семи 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.

7.4. Выводы.

1. По результатам оптимизации параметров процесса маслотермо-обработки и анализа уравнений регрессии полного факторного эксперимента обоснованы технологические параметры процесса маслотермообработки фанеры толщиной 15 мм, которые обеспечивают получение материала с наиболее высокими водоотталкивающими свойствами при достаточной прочности: температура маслопропитки-130±10°Спродолжительность маслопропитки-60±-5 минтемпература термообработки -160±-5°Спродолжительность термообработки-6±-0,05 ч.

Обработка фанеры по такому 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.

2. Одним из главных недостатков существующих технологий термической защиты является выделение экологически опасных летучих веществ из древесины в результате деструкции древесины при термообработке. 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. Таким образом, способ повышения водоотталкивающих свойств фанеры маслотермообработкой является более экологичным, в сравнении со способом термообработки древесины.

3. По результатам санитарно-гигиенических испытаний 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.

4. 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.

8. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ.

ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАСЛОТЕРМО.

ОБРАБОТАННОЙ ФАНЕРЫ.

Экономическая эффективность применения маслотермообработанной фанеры в строительстве оценивалась исходя из следующих предпосылок.

Установлено (разд. 7.3), что ориентировочный период эксплуатации маслотермообработанной фанеры составляет 25 лет, в то время как окрашенная фанера эксплуатируется в качестве обшивок стеновых панелей в течение 20 лет. При этом качество панелей удовлетворяло требованиям эксплуатации. Как следует из [2], для поддержания эксплуатационных качеств защитное покрытие деревянных строительных конструкций следует обновлять путем окраски каждые 5 лет. Маслотермообработанная фанера не нуждается в поверхностной защите в течение выше указанного периода эксплуатации.

Экономическая эффективность производства маслотермообработанной фанеры оценивалась на основе сравнения сроков эксплуатации в панельной строительной конструкции маслотермообработанной и окрашенной фанеры с учетом затрат на поддержание эксплуатационных качеств последней.

В качестве исходного материала, защищаемого путем маслотермообработки или окраски, принята хвойная фанера марки ФСФ, изготовленная согласно ГОСТ 3916.2. Размеры фанеры — 3050×1525×15 мм. Фанера такого формата и средней толщины востребована в деревянном домостроении.

Расчет экономической эффективности проводили согласно методике, изложенной в [56].

Капитальные вложения.

Реализация разработанной технологии требует оборудования для маслотермообработки. Состав оборудования приведен в Приложении 4. По расчетам ритм работы установки маслотермообработки тМТ0 равен 2 мин. Отсюда часовая производительность £?ч=2,03 м3/чгодовой объем производства при трехсменной работе (эффективный фонд работы оборудования с учетом сменности Тэф=5928ч и коэффициента загрузки #=0,9) -0=10 830 м3 или 0=122 ООО м2.

Стоимость комплекта оборудования для маслотермообработки фанеры, стоимость здания производственного назначения, приведены в таблице 8.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО РАБОТЕ л.

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. Исследованиями ООО «ЦНИИФ» установлено, что при влажностных воздействиях на фанеру в процессе эксплуатации в первую очередь происходит разрушение шпона наружных ее слоев. В связи с этим необходимо использовать специальные способы и средства защиты, в особенности поверхностных ее слоев.

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, приводящее к термодеструкции гемицеллюлоз. Известными на сегодняшний день технологиями термообработки являются Thermowood, Barkett, West-Wood, Bua Pezdyuz, Process Plato. Несмотря на ряд достоинств, основными недостатками применения перечисленных технологий являются снижение физико-механических 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: разбухания и водопоглощения 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 РЖ-спектроскопии 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 фанерыгидротермическая обработка сырья, сушка шпона, нагрев пакетов при склеивании — обеспечивают 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 реакции этерификации. Установлена глубина реакции этерификации. Достигнутая глубина протекания этой реакции обеспечивает достаточно значительное повышение водоотталкивающих свойств фанеры, в первую очередь уменьшение ее разбухания с 10 до 3%. Это достигается за счет формирования в процессе маслотермообработки адгезионных связей в структуре фанеры, которые обеспечивает реакция этерификации.

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 метода 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. На этом основании можно ожидать, что сохранение прочности, минимальной и, как следствие, увеличение срока службы маслотермообработанной фанеры будет выше, по сравнению с фанерой, не прошедшей маслотермообработку.

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: температура маслопропитки-13 0± 10°Спродолжительность маслопропитки- 60±5 минтемпература термообработки -160±-5°Спродолжительность термообработки-6±-0,05 чрасход модифицированного таллового масла- 145 г/м .

Обработка фанеры по такому 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. Термообработанная древесина, содержащая продукты разложения, имеет характерный запах.

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. Таким образом, можно сделать заключение о большей степени экологичности способа повышения водоотталкивающих свойств фанеры маслотермообработкой, в сравнении со способом термообработки древесины.

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 25 лет. При годовом объеме производства 10 830 м³ или 722 ООО 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 детали деревянных судов, вагонов и других конструкций, 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.