На правах рукописи

КОЖЕВНИКОВ Дмитрий Александрович

ФОРМИРОВАНИЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ ИЗМЕЛЬЧЁННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

И КОСТРЫ ЛЬНА

05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013 2 Диссертационная работа выполнена на кафедре механической технологии древесины ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет».

Научный руководитель: Угрюмов Сергей Алексеевич, доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Цой Юрий Иванович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет»

Штембах Анатолий Паулович, кандидат технических наук, доцент, ООО «ФАЭТОН», г. Санкт-Петербург

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Защита диссертации состоится 19 июня 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д при Санкт-Петербургском 212.220. государственном лесотехническом университете им. С.М. Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТУ.

Автореферат разослан «10 » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Алексей Романович Бирман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перспективой развития и совершенствования производства древесно-стружечных плит является выпуск конкурентоспособной продукции c 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.

Основой повышения эффективности производства древесно-стружечных плит является развитие ресурсосберегающих технологий, предусматривающих использование всевозможных древесных отходов, а также одревесневших отходов перерабатывающих производств сельского хозяйства. Отходы переработки сельскохозяйственных культур (в частности, костра льна) являются доступным и дешевым сырьем для производства древесных плит конструкционного назначения высокого качества. 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.

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. 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. В настоящее время отсутствует теоретическое обоснование создания клеевых соединений применительно к производству древесных плит с использованием костры льна. Поэтому развитие теории и практики склеивания древесных плит с использованием костры льна с разработкой рецептур модифицированных клеевых составов, применяемых для качественного осмоления частиц костры, является актуальной научной задачей, что и определило выбор темы диссертации.

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, техникоэкономическое обоснование предлагаемых технических решений.

Научной новизной обладают:

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

2. Доказательство повышения смачивающей способности синтетических олигомеров путем их модификации простыми спиртами.

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

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

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями и корректными допущениями при разработке математических моделей; современными средствами научного проникновения, включая теорию адгезии; методами и средствами экспериментальных исследований, включая микрометрию, тензометрию жидкостей; подтверждением адекватности разработанных моделей результатам испытаний, успешным внедрением разработок в производство.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные уравнения работы адгезии позволяют определить рациональное количество модификаторов, вводимых в клеевые составы, для обеспечения требуемого смачивания частиц костры льна при формировании плитных материалов.

Разработанные математические модели влияния основных технологических факторов на физико-механические свойства плит на основе древесных частиц и костры льна позволяют развить теорию производства древесных плит.

Теоретические положения производства древесных плит на основе древесных частиц, костры льна и модифицированных клеев, результаты экспериментальных исследований, полученные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология композиционных материалов», «Технология и применение полимеров в деревообработке».

Практическая значимость заключается в разработке ресурсосберегающей технологии производства новых плитных древесных 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».

Методологические основы и методы исследования. Теоретической основой исследования является молекулярно-адсорбционная теория адгезии.

Исследования основывались на принципах системного подхода с использованием обоснованных методов и методик научного поиска.

Инструменты, приборы и установки, выбранные для экспериментов, соответствовали по точности современным требованиям.

Информационную базу исследования составляют материалы научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, сведения из сети Интернет.

Положения, выносимые на защиту: Основные научные положения, выносимые на защиту можно классифицировать как научно обоснованные технические, 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.

Апробация 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 работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 104 наименований, содержит 156 страниц текста, 54 рисунка, 37 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта научная новизна работы, её практическая и научная значимость. Содержатся сведения о структуре и объёме диссертации.

Первый раздел. «Анализ состояния вопроса производства плит на основе измельчённой древесины и костры льна» посвящён анализу современного состояния и перспективам развития производства древесно-стружечных плит, в результате было установлено, что развитие производства плитных материалов возможно при максимальном использовании всех возможных отходов, в том числе отходов сельскохозяйственного производства. Эффективным наполнителем стружечных плит является костра льна, что объясняется рядом ее положительных анатомических, химических и размерно-качественных свойств.

Актуальность использования костры в производстве плитных материалов обусловлена тем, что в настоящее время наблюдается значительный рост производства и переработки льна, особенно в Центральном регионе, что в свою очередь обусловлено повышенным интересом к производству льняных тканей и одежды, обладающей высокими экологическими и гигиеническими свойствами.

Однако клееные материалы, изготовленные на основе костры льна по технологии производства традиционных клееных древесных материалов, имеют недостаточные физико-механические характеристики. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что прочность костроплит при изгибе меньше прочности аналогично произведенных ДСтП на 20–30%, разбухание по толщине и водопоглощение выше примерно в 2 раза.

Улучшение качественных показателей клееных материалов, произведенных с применением как древесных наполнителей, так и костры, невозможно без модифицирования или создания новых клеевых композиций, обеспечивающих полное и равномерное смачивание частиц наполнителя.

Правильный выбор модификатора – хорошо совмещающегося со смолой, дешевого, а также имеющего высокую эластичность, позволит получить клеи требуемой прочности и долговечности, на основе которых возможен выпуск качественных плитных материалов.

Теоретическими вопросами смачивания, адгезии и формирования клеевых соединений занимались российские и зарубежные ученые: А. Адамсон, В.Е. Басин, А.А. Берлин, С. Грег, Б.В. Дерягин, А.Д. Зимон, В.Д. Кузнецов, Ю.Г. Фролов, А.А. Лопаткин, Р.Р. Майерс, В.Е. Цветков, В.И. Азаров, В.А.

Баженов, В.А. Васильев, С.П. Исаев, А.А. Леонович, А.Н. 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.

Во втором разделе «Методические положения» представлены характеристики используемых материалов, методов проведения экспериментов и их обработки, применяемого оборудования и приборов, методов и средств измерения.

Определение поверхностного натяжения модифицированных клеевых композиций осуществлялось с использованием тензиометра К6 фирмы KRUSS.

Для исследования смачиваемой способности поверхности костры льна модифицированными адгезивами была разработана методика подготовки её поверхности, позволяющая получать гладкую плоскую поверхность субстрата костры.

фенолформальдегидных адгезивов во взаимодействии с субстратами берёзы, сосны и костры льна исследовали с помощью установки для определения размеров и формы капли адгезива на базе микроскопа МБС-10.

Изготовление образцов плитных материалов проводилось на лабораторном прессе П100-40. Физико-механические испытания древесных плит проводились по стандартным методикам.

Полученные экспериментальные данные одно- и многофакторных экспериментов обрабатывали методами математической статистики.

В третьем разделе «Оценка эффективности модифицирования синтетических олигомеров спиртами применительно к производству древесностружечных плит» рассмотрены теоретические предпосылки повышения смачивающей способности и работы адгезии клеевых составов;

экспериментально определены величины поверхностного натяжения адгезивов (в том числе модифицированных), используемых в производстве плитных материалов; экспериментально оценена смачивающая способность модифицированных клеевых композиций по отношению к костре льна и древесным наполнителям; определена работа адгезии модифицированных клеевых составов; определено рациональное количество спиртов, вводимых в клей, для обеспечения максимальной работы адгезии.

Явление смачивания связано с соотношением поверхностных энергий адгезива и субстрата. Смачивание адгезивом поверхности субстрата будет происходить при условии, что поверхностная энергия и поверхностное натяжение твердого тела будут больше поверхностной энергии и поверхностного натяжения жидкости, соприкасающейся с ним. При этом для достижения высокой адгезии необходимо, чтобы поверхностное натяжение жидкости имело большие значения, то есть должны обеспечиваться условия Таким образом, практические вопросы адгезионной прочности в структуре плитных материалов решаются только с учетом соотношений поверхностных натяжений адгезива и субстрата.

Важной характеристикой взаимодействия на границе раздела жидкость – твердое тело является работа адгезии, чаще всего характеризующая взаимодействие жидкости с твердой поверхностью.

Адгезия жидкости к твердому телу может быть описана уравнением Дюпре, определяющим работу по замене поверхности твердое тело – жидкость на поверхность твердое тело – пар и жидкость – пар, то есть обратимую работу адгезии Преобразовав данное уравнение с учётом равенства Юнга (4) и коэффициента пропорциональности b, получим выражение для расчёта работы адгезии жидкости (5):

Коэффициент b учитывает влияние посторонних факторов и определяется как абсолютное значение коэффициента уравнения прямых графических зависимостей cos=f(ж), построенных по значениям для модифицированных составов на участках, описание которых возможно в виде прямых зависимостей.

Зависимость (5) представляет собой уравнение параболы, вершина которой находится при следующем значении поверхностного натяжения адгезива При этом максимальную работу адгезии можно определить по формуле:

Данные теоретические предпосылки были использованы для оценки поверхностного натяжения клеевых составов на основе синтетических олигомеров, модифицированных спиртами, оценки работы адгезии и определения рационального количества модификаторов клеевых составов для обеспечения полного смачивания древесных наполнителей и костры льна и обеспечения максимальной работы адгезии.

В экспериментальной части работы при определении поверхностного натяжения исследовались карбамидоформальдегидная смола марки КФН-66 и фенолформальдегидная смола марки СФЖ-3014, а также указанные смолы, модифицированные на стадии смешивания компонентов клея различными спиртами (этиловым, изопропиловым, бутиловым, изоамиловым, гептиловым) для уменьшения их поверхностного натяжения, а также для проведения оценки использования наиболее эффективного спирта в качестве модифицирующей добавки.

Графические зависимости влияния количества модификаторов на поверхностное натяжение исследуемых адгезивов представлены на рис. 1.

Результаты экспериментов показали, что введение в синтетическую смолу простых спиртов, таких как этиловый, изопропиловый, бутиловый, изоамиловый и гептиловый спирты, способствует снижению её поверхностного натяжения, что должно положительно отразиться на процессе смачивания ей костры льна.

Внешний вид исследуемых капель адгезива, модифицированного бутиловым спиртом, представлен на рис. 2. Графические зависимости влияния модификаторов на краевой угол смачивания субстратов для карбамидоформальдегидного и фенолформальдегидного адгезивов для субстрата костра льна представлены на рис. 3.

Рис. 1. Зависимость влияния количества модификатора на поверхностное натяжение а) карбамидоформальдегидного, б) фенолформальдегидного адгезивов без спирта 1,5 % спирта 3% спирта без спирта 1,5 % спирта 3% спирта Рис. 2. Вид капель карбамидоформальдегидного (а) и фенолформальдегидного Рис. 3. Зависимость влияния модификатора на краевой угол смачивания а) карбамидоформальдегидного б) фенолформальдегидного адгезивов Для оценки сопоставимости экспериментальных данных с теоретическими выводами были рассчитаны значения косинусов краевых углов смачивания для конкретных субстратов и адгезивов с известными величинами поверхностного натяжения по формуле: