Совершенствование состава и процессов структурообразования древесно-стружечных композитов строительного назначения

Актуальность темы

исследования. Древесные композиты являются перспективными конструкционно-отделочными материалами для строительства. Одним из видов композитов являются древесно-стружечные плиты (ДСтП). ДСтП производятся из возобновляемого природного материаладревесины, в том числе отходов ее переработки. Использование древесностружечных композитов является одним из рациональных путей использования материалов для строительства и отделки зданий и сооружений, поскольку позволяет снизить издержки на материалы. Производство древесностружечных композитов может и должно способствовать реализации Федеральной целевой программы «Доступное и комфортное жилье — гражданам России».

На сегодняшний день существует ряд причин того, что в настоящее время в России отсутствует промышленное производство ДСтП строительного назначения. Согласно ГОСТ 10 632–77 выпускались плиты марки П-3 строительного назначения. В редакции ГОСТ 10 632–89 года было внесено изменение, касающееся области использования ДСтП — «кроме жилищного строительства, строительства зданий для детских, школьных и лечебных учреждений». Это сократило сферу применения древесностружечных плит в строительстве. Однако в новой редакции ГОСТ 10 632–2007, вступившей в силу с 1 января 2009 г., ограничения в области использования ДСтП в строительстве сняты.

С середины XX века в мире строительство является равноправным потребителем древесно-стружечных плит. В США 25% ДСтП используется для производства строительных конструкций (главным образом — черновых полов), 15% - для обшивки домов, 10% - специальные плиты для индустриального строительства [62]. Наибольший процент потребления древесностружечных плит в строительстве был характерен в конце XX века для Чили (64%), Японии, Канады, Великобритании, Швеции (около 50%) [88]. Возникает парадоксальная ситуация: древесно-стружечные плиты используются для внутренней отделки помещений, а производство данного вида строительных материалов в нашей стране отсутствует.

В настоящее время продолжается процесс подготовки России к вступлению в ВТО, процесс длительный, непростой, многие аспекты его неоднозначны [2, 8, 9, 41, 48, 50, 73]. Однако, по всей видимости, это вступление является неизбежным, и своевременная подготовка к нему крайне важна для экономики России в целом. В условиях предстоящего вступления России в ВТО встает проблема неподготовленности большинства отраслей России к этому вступлению, что может привести, по прогнозам ряда аналитиков [80, 91] к проблемам в развитии отечественной промышленности. Выполнение требования стран — членов ВТО об обнулении ввозных пошлин на различные виды товаров может сделать неконкурентоспособным многие виды производств. Диверсификация строительных материалов, в числе прочего и путем использования плитной продукции, является одним из условий устойчивого развития и расширения строительной индустрии.

В 80-х годах XX века в СССР существовала программа развития производства ДСтП для строительства [60, 94]. Производство панельных домов ориентировалось на укрупнение размеров сборных элементов, поэтому тенденция к уменьшению массы здания нашла отражение в разработке и применении плит, обладающих улучшенными прочностными и теплофизическими свойствами (теплозвукоизоляционными, отделочными и т. д.). Одним из основных требований к плитным материалам в эти годы было обеспечение требований, предъявляемых архитектурой к интерьеру и внешнему виду зданий.

Дальнейшим препятствием для развития производства ДСтП для строительства, в числе прочих причин, послужили отсутствие системных разработок древесно-стружечных плит строительного назначения, экономический кризис 90-х годов, а также ужесточение требований к санитарно-гигиеническим свойствам плит (выделению свободного формальдегида).

По показателю эмиссии свободного формальдегида лучшие отечественные предприятия выпускают плиты класса Е1, соответствующие российской норме (не более 10 мг/100 г абсолютно сухой плиты) [108]. Согласно ГОСТ 10 632–2007 выделение свободного формальдегида из плит должно соответствовать требованиям европейского стандарта EN 312 (Е1 — не более 8 мг) [24]. Гармонизация ГОСТ 10 632–2007 с европейской нормативной документацией (Е1 — не более 8 мг) с одной стороны устраняет некоторые препятствия для использования ДСтП в строительстве, с другой — ставит задачу обеспечения соответствия плитных материалов европейским нормам.

Кроме экологичности, древесно-стружечные композиты для строительства должны обладать повышенной огнестойкостью и/или водостойкостью (в зависимости от назначения). Решение задачи обеспечения соответствия показателей качества плит строительного назначения современным требованиям нормативной документации является одним из условий возможности возобновления использования древесно-стружечных плит в жилищном строительстве.

Разработка производства древесно-стружечных композитов строительного назначения складывается из решения целого комплекса научных, технологических и других задач в различных областях. В том числе, для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

— совершенствование способов управления показателями древесностружечных плит строительного назначения;

— повышение экологической безопасности отечественных древесностружечных плитных строительных материалов и обеспечение соответствия выделения свободного формальдегида из них европейским требованиям к классу эмиссии Е1;

— использование плитных материалов, изготовленных без применения хлорсодержащих отвердителей (имеющих, предположительно, канцерогенное действие).

Данная диссертационная работа решает вопросы получения древесностружечных плитных материалов пониженной токсичности с заданным комплексом эксплуатационных свойств, это обуславливает ее актуальность.

Объектом диссертационного исследования являются плитные строительные материалы из измельченной древесины.

Предмет исследования — экологически безопасные древесностружечные композиты строительного назначения.

Цель диссертационного исследования — системная разработка состава и принципов производства древесно-стружечных композитов строительного назначения с необходимым комплексом эксплуатационных показателей.

В соответствии с поставленной целью в диссертационном исследовании решались следующие задачи:

1. Провести системный анализ проблем использования отечественных ДСтП в строительстве;

2. Разработать теоретическое обоснование управления показателями древесно-стружечных композитов для строительства;

3. Выполнить экспериментальное обоснование для производства ДСтП повышенной водостойкости строительного назначения;

4. Выполнить экспериментальное обоснование состава и принципов производства древесно-стружечных композитов повышенной огнестойкости;

5. Провести экспериментальное обоснование замены хлорсодержаще-го отвердителя карбамидоформальдегидных смол для древесно-стружечных плитных материалов на более экологически безопасные отвердители;

6. Разработать способы снижения выделения свободного формальдегида для обеспечения экологичности древесно-стружечных композитов;

7. Осуществить практическую апробацию основных результатов диссертационного исследования на предприятии по производству ДСтП.

Методологической основой диссертационного исследования служат методы системного анализа, регрессионного анализа, дисперсионного анализа и математической статистики.

Информационная база исследования включает источники в виде монографической литературы, публикаций в периодической печати, экспресси реферативной информации, научных докладов, материалов научных конференций, web-сайтов Интернета.

В основу диссертации положены результаты собственных теоретических и экспериментальных исследований и расчетов.

Состояние и степень проработанности темы. Анализ научных исследований и практических публикаций в области материалов для строительства показал наличие большого внимания к вопросам использования древесных композитов в строительстве.

Вопросами применения древесностружечных плит в строительстве занимались российские ученые: Е. Д. Белоусов, В. Я. Далматов, И. Г. Корчаго, В. М. Хрулев, А. А. Титунин, А. С. Фрейдин, И. Т. Матюшин, М. Г. Мальцев, В. В. Кислый, А. А. Эльберт и др. [4, 38,47, 115, 102, 110, 60, 115, 33, 122, 123], а также зарубежные исследователи: Э. Хаббард, Т. Мелони, Я. Чи-жек, В. Клаудиц, Г. Раквиц и др. [62, 117]. Наличие устойчивого спроса на специальные древесностружечные плиты для строительства и отсутствие в России их производства неоднократно отмечали Н. А. Бур дин, В. М. Шлыков, В. В. Пешков [8, 9, 41, 73, 95, 96].

В создавшихся условиях, отмечает Д. А. Щедро (ЗАО ЦНИИФ") [34], разработка технологии изготовления плит специального назначения для строительства (обычных, в био-, атмосферои огнестойком исполнении) должна относится к стратегическим направлениям развития и реализации научно-технической политики в области плитных материалов. Тормозит развитие этого направления высокая эмиссия свободного формальдегида из ДСтП.

Вызывают интерес способы решения проблемы снижения токсичности плитных материалов в исследованиях российских ученых: А. Е. Анохина, Ю. Г. Доронина, И. Т. Матюшина, В. П. Кондратьева, Г. С. Варанкиной, А. В. Высоцкого, С. С. Глазкова, B.C. Болдырева, Н. Е. Николаева, В. Г. Белопухо-вой, С. А. Кротовой и др. [1, 32, 59, 44, 34, 70, 33]. Эту проблему решают и зарубежные ученые: Э. Роффаэль, М. Чафер, В. Ванг, Д. Гарднер, М. Бауман и др. [92, 128, 131].

Эколого-экономические аспекты использования древесных материалов строительного назначения отражены в работах А. А. Гусакова, Н. И. Ильина, А. С. Некрасова, В. К. Голубева, А. А. Титунина, С. Д. Новоселова и др. [30, 67, 102, 103, 86].

Технологическим, техническим и экологическим проблемам российского производства строительных материалов уделяется большое внимание в исследованиях ученых. Однако следует заметить, что в известных автору работах не решается системно задача совершенствования теоретических основ, состава и принципов производства отечественных древесно-стружечных строительного назначения. Именно это и определило выбор темы настоящего диссертационного исследования.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в системном обосновании решения проблемы российского производства древесностружечных композитов для строительства на основе комплексного решения задач обеспечения необходимых эксплуатационных показателей. Имеют научную новизну следующие результаты диссертационной работы:

1. Для специальных древесно-стружечных плит на фенолоформальдегидном связующем разработаны регрессионные математические модели зависимости разбухания по толщине и прочности при статическом изгибе от удельной продолжительности прессования, плотности и нормы расхода связующего. Обоснованы рекомендации по производству древесно-стружечных композитов повышенной водостойкости, позволяющие сократить продолжительность прессования до 0,375 мин/мм толщины, отличающиеся от известных способов отсутствием модифицирующих добавок.

2. Теоретически и экспериментально обоснован способ внесения фосфатных добавок — алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) и полифосфатов аммония (ПФА) на стадии осмоления стружки, позволяющий создать более термои гидролитически устойчивые композиты.

3. Разработана модель отвержденного связующего с добавкой АБФК, отличающаяся видом поперечных связей пространственной сетки, объясняющая улучшение эксплуатационных показателей композитов.

4. Разработаны регрессионные математические модели зависимости прочности и потери массы при горении, Позволяющие управлять показателями плит путем варьирования продолжительности прессования и добавки ПФА на стадии осмоления стружки.

5. Разработаны регрессионные математические модели выделения свободного формальдегида и прочности при статическом изгибе древесностружечных композитов от удельной продолжительности прессования, температуры и доли добавки АБФК и ПФА на стадии осмоления стружки, позволяющие управлять показателями прочности плит и эмиссии формальдегида.

6. Разработаны рекомендации по значению технологических факторов процесса производства плит на карбамидоформальдегидном связующем с добавкой АБФК с эмиссией свободного формальдегида менее 8 мг/100 г абсолютно сухой плиты, что соответствует требованиям российской и европейской нормативной документации.

Практическая значимость работы заключается в разработке технологических рекомендаций для производства древесно-стружечных композитов строительного назначения с необходимыми эксплуатационными показателями. Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на ОАО «Фанплит», г. Кострома.

Теоретические положения производства древесно-стружечных композитов и результаты экспериментальных исследований диссертационной работы используются в процессе преподавания и изучения учебных курсов «Технология композиционных материалов», «Технология полимеров», «Технология клееных материалов и древесных плит», «Основы строительного дела».

Основные положения работы нашли отражение в ходе выполнения госбюджетных работ 5.7 — БФ — 04, 4.7 — БФ — 07 «Использование ресурсосберегающих технологий в производстве древесных композитов».

Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на международных научно-технических конференциях, проходивших в КГТУ, г. Кострома в 2002, 2004 гг.- на всероссийских научно-технических конференциях в ВоГТУ, г. Вологда, 2004, 2007 гг.- на всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов в УГЛТУ, г. Екатеринбург, 2005 г.- на международных научно-технических конференциях в БГТА, г. Брянск, 2006, 2007 гг.- на научно-практической конференции в ДВГТУ, г. Владивосток, 2007; международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленного региона» (Кострома, КГТУ, 2006, 2008 г. г.) — на расширенном заседании кафедры механической технологии древесины Костромского государственного технологического университетана расширенном заседании кафедры производства строительных материалов ИГАСУ, 2009 г.

Список публикаций автора по теме диссертационного исследования включает 14 работ общим объемом 3,09 п.л., в том числе монографию объемом 0,8 п.л. и 2 статьи объемом 0,8 п.л. в журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, содержащих 146 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 50 таблиц, заключения, библиографического списка, а также 11 приложений. Схема, представляющая концепцию и структуру диссертационной работы, представлена на рис. 1.

5.3. Выводы по пятой главе.

Результаты экспериментальных исследований влияния внесения фосфатных добавок на стадии осмоления стружки подтвердили теоретическое предположение об участии АБФК и ПФА, вносимых на стадии осмоления стружки, в создании устойчивых комплексов, связывающих свободный формальдегид при прессовании плит.

Предлагаемый способ внесения фосфатных добавок позволяет производить плиты с прочностными характеристиками, отвечающими требованиям отечественной и европейской нормативной документации, имеющие при этом пониженную токсичность.

Фосфатные добавки ПФА и АБФК к карбамидоформальдегидному связующему, вносимые на стадии осмоления стружки, позволяют выпускать плиты класса эмиссии Е1 при температуре прессования 180 °C, удельной продолжительности прессования 0,2 мин/мм толщины плиты при разной доле добавки.

Для АБФК рекомендуется добавка в наружные слои 5% раствора 5-процентной концентрации, во внутренний слой — 10% раствора 10-процентной концентрации. Для ПФА рекомендуется добавка 10% во внутренний слой и от 2,5% до 5% в наружные слои. При этом плиты будут иметь хорошие эксплуатационные показатели и выделение свободного формальдегида, соответствующее европейской нормативной, документации для использования ДСтП в строительстве.

Глава 6.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИТОВ НА КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНОМ СВЯЗУЮЩЕМ С ФОСФАТНЫМИ ДОБАВКАМИ.

6.1. Технологические схемы производства древесно-стружечных композитов с фосфатными добавками.

Традиционный способ производства плитных материалов повышенной огнестойкости включает операцию внесения добавок перед сушкой стружки. Принципиальная схема данного технологического процесса представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Принципиальная схема технологического процесса производства древесно-стружечных композитов с добавками для придания специальных свойств.

Придание повышенной огнестойкости (и, в случае фосфатных добавок, пониженной токсичности) обеспечивается следующими элементами технологии [38]: древесные частицы сушат последовательно в двух сушилках — в первой до влажности 18 — 20%, во второй до влажности 2−3%- водный раствор антипирена вводят в стружку перед второй ступенью сушки с помощью быстроходного смесителя.

По данным Е. М. Разинькова [87], внесение добавок на стадии перед сушкой стружки снижает их эффективность и требует повышения их расхода примерно на 30%. В результате введения дополнительных технологических операций и увеличения доли добавки вносимого для придания специальных свойств компонента цена древесностружечных композитов строительного назначения увеличивается на 60. 100%.

Исследования, проведенные в данной работе, позволяют исключить из технологического процесса производства древесностружечных композитов операции нанесения добавок на стружку и вторую ступень сушки стружки. Принципиальная схема технологического процесса с внесением добавок на стадии осмоления стружки представлена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Принципиальная схема технологического процесса производства древесно-стружечных композитов с внесением добавок на стадии осмоления стружки.

Плитные материалы, производимые по предлагаемому технологическому процессу, будут иметь меньшую стоимость, чем композиты, производимые по традиционной технологии. Однако необходимо обосновать расчетами возможность получения экономического эффекта от выпуска древесностружечных композитов строительного назначения с фосфатными добавками, вносимыми на стадии осмоления стружки, в сравнении с ДСтП общего назначения.

6.2. Экономическое обоснование выпуска древесно-стружечных композитов.

Экономическое обоснование выпуска композитов с использованием АБФК дано применительно к производству ДСтП ОАО «Фанплит», г. Кострома. План производства и реализации продукции по базовому и разрабатываемому вариантам представлен в таблице 6.1. Расчет на годовую программу по базовому варианту представлен в таблице 6.2.

Расчет выполнен по варианту без учета выпуска ламинированных плит, только по неотделанной (так называемой «белой») плите. Для завоевания рынка и обеспечения конкурентоспособности цена на плитные материалы повышенной огнестойкости и сниженной токсичности принята такой же, как и на ДСтП общего назначения.

Расчет потребности и стоимости сырья и материалов на программу по варианту с добавкой АБФК представлен в таблице 6.3.

Калькуляция себестоимости 1 м ДСтП представлена в таблице 6.4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом работы по совершенствованию состава и процессов струк-турообразования древесно-стружечных композитов строительного назначения является решение поставленных в диссертационном исследовании задач:

1. На основе системного анализа выявлены проблемы использования древесностружечных плит в строительстве. Это: высокий уровень эмиссии свободного формальдегида, высокая себестоимость производства древесностружечных композитов строительного назначения, разрабатываемых во второй половине XX в., являющаяся следствием усложнением технологического процесса производства.

2. В работе теоретически обоснована возможность управления эксплуатационными показателями ДСтП строительного назначения.

3. На основе анализа теоретических основ структурообразования разработаны способы формирования необходимых эксплуатационных свойств древесно-стружечных композитов строительного назначения на основе фенолофор-мальдегидного связующего и карбамидоформальдегидного связующего с фосфатными добавками.

4. Разработаны технологические рекомендации для производства плит повышенной водостойкости на фенолоформальдегидном связующем: удельная продолжительность прессования 0,375 мин/ммплотность плит 800 кг/м — расход связующего в наружных слоях 15% от веса абсолютно сухой стружки. Возможность эксплуатации разработанных плитных материалов в условиях переменных температурно-влажностных колебаний подтверждена в ходе циклических испытаний.

Экспериментально обосновано повышение огнестойкости плит при внесении фосфатных добавок на стадии осмоления стружки.

5. Разработаны регрессионные модели зависимости потери массы при горении, прочности на статический изгиб и разбухания плит от удельной продолжительности прессования и доли добавки на стадии осмоления стружки.

ПФА, позволяющие управлять эксплуатационными свойствами древесностружечных композитов.

6. Для снижения токсичности отечественных древесно-стружечных плитных материалов предложено использовать карбамидное связующее с фосфатной добавкой, вносимой на стадии осмоления стружки. Разработаны регрессионные модели зависимости прочности плит при статическом изгибе и выделения свободного формальдегида из плит с данными добавками, являющиеся основой рекомендаций для получения композитов с заданными свойствами.

7. Использование способа внесения АБФК на стадии осмоления стружки позволяет получать плитные материалы с эмиссией свободного формальдегида, соответствующей европейским требованиям, что необходимо для использования древесно-стружечных композитов, в строительстве.

8. Оценка экономической эффективности выпуска плит с эмиссией свободного формальдегида не более 8 мг/100 г абсолютно сухой плиты подтвердила возможность получения экономического эффекта от производства древесностружечных плитных материалов строительного назначения, соответствующих европейским требованиям к классу эмиссии Е1.

9. Разработаны технологические рекомендации для производства плит пониженной токсичности на карбамидоформальдегидном связующем: удельная продолжительность прессования 0,2 мин/ммтемпература прессования 180 °Сдоля добавки АБФК в наружные слои 5% раствора 5-процентной концентрации, во внутренний слой — 10% раствора 10-процентной концентрации.

10. Практическая апробация основных результатов диссертационного исследования на предприятии по производству ДСтП — ОАО «Фанплит», г. Кострома, подтвердила целесообразность разработанных в диссертационном исследовании предложений по выпуску древесно-стружечных композитов пониженной токсичности.