[ «ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ШПОНА И ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ ...»
1
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Костромской государственный технологический университет»
На правах рукописи
СВЕШНИКОВ Александр Сергеевич
ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
НА ОСНОВЕ ШПОНА И ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОЙ
КОМПОЗИЦИИ
05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, Угрюмов Сергей Алексеевич Кострома –
СОДЕРЖАНИЕ
стр.ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Современное состояние и перспективы развития фанерного производства…...……1.2. Пути комплексного использования отходов фанерного производства………………………………………………………………… 1.3. Известные методы формирования древесно-слоистых композиционных материалов.……………………………………………… 1.4. Выбор клея для производства композиционного материала.……...... 1.5. Выводы.………..……………………………………………………....... 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ………………………………....... 2.1. Сырье и материалы………………………………………….…………. 2.2. Приборы и оборудование……………………………………………… 2.3. Методика расчет необходимого количества связующего для склеивания композиционного материала……………...…………………... 2.4. Методика приготовления связующего..………………………………. 2.5. Методика расчета необходимого количества древесных частиц для приготовления внутренних слоев композиционного материала.…...…… 2.6. Определение плотности….…….…………………………….………… 2.7. Определение водопоглощения, разбухания по толщине и объемного разбухания………………………………………………………. 2.8. Определение предела прочности при статическом изгибе………….. 2.9. Определение предела прочности при отрыве перпендикулярно пласти
2.10. Определение предела прочности при выдергивании шурупов……. 2.11. Определение межфазного взаимодействия в зависимости от структуры композиционного материала……………………………...…… 2.12. Оценка адгезионной прочности в зависимости от структуры композиционного материала……………………………………………….. 2.13. Оценка огнезащищенности композиционного материала…………. 2.14. Оценка экологических показателей композиционного материала… 2.15. Методика определения необходимого объма экспериментальных выборок……………………………………….…….………………………... 2.16. Методика построения и обработка многофакторных экспериментальных планов……………
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СВОЙСТВ
КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА………..…………...………..... 3.1. Выбор и оценка структуры композиционного материала…….……... 3.2. Напряженное состояние композиционного материала при изгибе…. 3.3. Влияние холодного промежуточного послойного прессования на свойства композиционного материала…………………………………….. 3.4. Оценка адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала……………….…………………... 3.5. Оценка физико-механических характеристик композиционного материала……………………………………………………………….……. 3.6 Оценка огнезащищенности композиционного материала…………… 3.7 Оценка экологических показателей композиционного материала…... 3.8. Обработка многофакторного экспериментального плана………….. 3.8.1.Выбор постоянных и переменных факторов………………………... 3.8.2. Планирование эксперимента………………………………………… 3.8.3. Оценка наличия грубых ошибок…………………………………….. 3.8.4. Проверка однородности дисперсий…………………………………. 3.8.5 Расчет коэффициентов уравнения регрессии……………………….. 3.8.6. Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии………... 3.8.7. Проверка адекватности математических моделей…………………. 3.8.8. Проверка эффективности математической модели………………... 3.8.9. Перевод уравнений регрессии из кодированных обозначений 3.8.11. Определение рациональных режимов производства……………... 3.8.12 Анализ влияния технологических факторов по результатам экспериментов……………………………………………… 3.9. Выводы………………………………………………………………….. 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Приложение 3. Проект реконструкции ОАО «Фанплит» на выпуск композиционной фанеры…………………………………………………… Приложение 4. Акт передачи результатов научно-исследовательских и проектных работ для внедрения в проектной практике……….……......... Приложение 5. Акт о внедрении результатов в учебный процесс….........
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в деревообработке наметилась тенденция к экономическим развитием фанерной промышленности приобрели значимость вопросы повышения эффективности производства, сокращения расходов сырья на производство единицы продукции, эффективной переработки образующихся отходов, снижения себестоимости продукции при сохранении ее качества.Основная часть фанерных предприятий нашей страны вырабатывает продукцию на основе березового лущеного шпона, что связано с рядом положительных свойств березовой древесины. Однако березовое сырье является достаточно дефицитным и дорогим, его стоимость в структуре себестоимости фанеры составляет 40…45% [91;121]. Снижение материалоемкости – основной путь повышения эффективности фанерного производства.
Организация производства композиционных материалов на основе измельченных древесных отходов с возможностью регулирования свойств готовой продукции в соответствии с ее назначением позволяет эффективно утилизировать образующиеся отходы, снизить расход лущеного шпона, снизить себестоимость. Варьируя сочетание вида и расходов наполнителей и связующих, можно изготавливать фанеру с целенаправленным комплексом свойств для использования в строительстве, мебельном производстве и иных сферах [16].
Актуальность работы.
Известно, что вовлечение в производство древесных композиционных материалов отходов деревопереработки способствует их эффективной утилизации и снижению себестоимости готовой продукции [124].
При производстве фанеры неизбежно образуются отходы – шпонрванина, кусковый шпон, карандаши, отходы от форматной обрезки фанеры и др. Целесообразно использовать измельченные древесные отходы фанерного производства для изготовления внутренних слоев древесного композиционного материала. Основу прочности такого материала составляет лущеный шпон, а композиция на основе древесных частиц, смешанных с синтетическим связующим, служит наполнителем.
Производство композиционного материала с наружными слоями из шпона, внутренними слоями на основе измельченных древесных отходов с возможностью регулирования свойств в соответствии с назначением позволит эффективно утилизировать образующиеся отходы, уменьшить расход шпона и себестоимость готовой продукции.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами госбюджетных научно-исследовательских работ в рамках единого заказнаряда «Совершенствование теории регионально-экономической политики.
Устойчивое развитие экономики Костромского региона. Исследование и разработка технологических режимов производства композиционной фанеры (№ ГР 0120.06000189), «Совершенствование эффективности функционирования производства плитных древесных композиционных материалов на основе глубокой переработки древесных отходов» (№ ГР 7.4819.2011), «Создание теории устойчивости развитием региональной экономической системы. Разработка научных основ повышения эксплуатационных характеристик композиционных материалов» (№ ГР 01201051803).
Цель работы – обоснование структуры и технологии композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции.
Объектом исследования является композиционный материал на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции.
Предметом исследования является структура и процесс изготовления композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции.
Научной новизной в диссертационной работе обладают:
– структура композиционного материала на основе шпона и древесноклеевой композиции, отличающаяся от известных наличием листа шпона в центральном слое;
– методики оценки адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала, отличающиеся способом подготовки образцов для испытаний с учетом структуры материала;
– математические модели влияния основных технологических факторов на свойства композиционного материала и процесс его склеивания.
композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции позволяет частично заменить лущеный шпон с сохранением физико-механических характеристик.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями и корректными допущениями при разработке математических моделей; применением современного поверенного метрологического обеспечения; современными средствами научного изыскания, включая микроскопию; методами и средствами многофакторных экспериментальных исследований и статистической обработки экспериментальных данных; подтверждением адекватности разработанных моделей результатам испытаний; внедрением разработок в производство. Поставленные задачи решались с применением современных систем автоматического проектирования, графических и вычислительных комплексов программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях по принятым методикам и планам экспериментов и характеризуется сходимостью с выводами эмпирических исследований.
Соответствие темы и содержания диссертации требованиям «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки»
положения диссертации соответствуют следующим областям исследований:
2. «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции»; 4. «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины».
Теоретическая и практическая значимость. Методики оценки адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре композиционного материала позволяют прогнозировать прочностные показатели и анализировать характер разрушений. Разработанные адекватные математические модели, описывающие влияние технологических факторов на физико-механические свойства композиционного материала, являются основой для обоснования его структуры и технологии склеивания.
Практическая значимость заключается в обосновании структуры нового композиционного материала на основе лущеного шпона и древесноклеевой композиции, превосходящего по физико-механическим характеристикам классические древесностружечные плиты, сравнимого с фанерой общего назначения. Производство такого материала позволяет эффективно перерабатывать образующиеся древесные отходы, снизить производственные затраты, повысить конкурентные качества и расширить ассортимент выпускаемой продукции. Разработана технология, обеспечивающая рост объема выпускаемой продукции, снижение расхода древесного сырья и возвратное использование отходов. Рекомендованные рациональные режимы позволяют производить композиционный древесный материал с высокими физико-механическими свойствами.
композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции, полученные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология композиционных материалов».
Методы исследования. Исследования базировались на принципах системного подхода с использованием обоснованных методов и методик научного поиска; поверенном оборудовании, приборах и средствах контроля.
Информационную базу исследования составляют материалы научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, электронные ресурсы.
Основные научные и практические результаты, полученные лично автором: Основные результаты можно классифицировать как научно обоснованные технические, технологические и организационные решения, направленные на разработку ресурсосберегающей технологии производства композиционного материала.
Указанные положения включают:
1. Введение центрального листа шпона в структуру композиционного материала позволяет снизить вероятность его разрушения от действия касательных напряжений;
2. Введение в технологический процесс производства композиционного материала послойного холодного подпрессовывания внутренних слоев из древесно-клеевой композиции позволяет повысить его эксплуатационные характеристики за счет устранения разнотолщинности внутренних слоев и отклонения центрального листа шпона от центральной плоскости.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждены и одобрены на заседаниях, конференциях, выставках различного уровня:
– XI областной научной конференции «Шаг в будущее» (г. Кострома, 2009 г.);
– Всероссийской выставке-конференции научно–технического творчества молодежи НТТМ-2009 (г. Москва, 2009 г.);
– 61-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ – производству», (г.
Кострома, 2009 г.);
– международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона», (г.
Кострома, 2010 г.);
– международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (г. Кострома, 2012, 2013 гг.);
– XVI Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (г. Москва, 2013 г.).
использованию в ОАО «Фанплит» (г. Кострома), ООО «Костромалеспроект», в учебном процессе ФГБОУ ВПО КГТУ.
Место проведения исследований. Диссертационная работа выполнена на кафедре лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств Костромского государственного технологического университета.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, заявка на патент № 2014105644 РФ, МПК7 В27D1/00 «Линия изготовления древесного композиционного материала», 6 статей в рецензируемых журналах и сборниках научных трудов, 3 тезиса в материалах конференций.
Общий объем публикаций – 4 печатных листа, из них авторских – 2, печатных листа.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложений. Работа содержит машинописных страниц основного текста, в том числе 35 рисунков, таблицы. Библиографический список использованных источников содержит 150 наименований российской и зарубежной литературы, интернет источников. Приложения включают 30 страниц материалов в виде научнотехнической документации и актов внедрения.
РАЗДЕЛ 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Современное состояние и перспективы развития Россия занимает первое место в мире по площади, занимаемой лесами (23%), по запасам древесины (21%) [149], ежегодный прирост древесной массы составляет 1,83 млн. м3 [150].качественного сырья для производства фанеры с высокими физикомеханическими свойствами. Данный фактор является серьезным преимуществом российских производителей фанеры перед мировыми конкурентами. Высокие показатели прочности, легкость в обработке, текстура древесины позволили данному материалу стать востребованным в мебельной промышленности, каркасном домостроении и многих других сферах.
композиционных материалов благодаря широкому диапазону форматов и высоким значениям физико-механических свойств, возможности прогнозирования требуемых свойств за счет изменения структуры сборки пакетов и технологии производства, а так же способности заменять пиломатериалы во многих конструкциях и сферах применения [14;73].
Фанеру изготавливают путем прессования листов шпона толщиной 1- мм и более с перекрестным направлением волокон в смежных слоях. При такой конструкции происходит увеличение прочность материала (выше прочности исходной древесины), снижение отрицательного влияния пороков и анизотропии. По механической структуре фанера относится к классу слоистых клееных материалов [68]. Важным преимуществом фанеры перед клееными балками и пиломатериалами является высокая упругость и прочность при меньшем сечении [89], что связано с уплотнением шпона при склеивании и равномерное распределением пороков древесины в слоях шпона. Фанера сопротивляется разрушению длительнее, чем массивная древесина, по причине ступенчатого механизма разрушения [125].
Данные статистики фанерному производству в России свидетельствуют о высоком темпе роста. Фанерная продукция пользуется спросом на мировом рынке, потребность в ней постоянно увеличивается. Мировой выпуск фанеры за последние десять лет вырос на 11%, ежегодно в мире изготавливается около 45 млн. м3 фанеры [131].
Мировые объемы производства фанеры в 2010-2013 гг., тыс. м3 [89;143] представлены в таблице 1.1.
Отпускная стоимость фанеры и фанерной продукции ежегодно возрастает. Одной из причин роста цен на фанерную продукцию является рост цен на сырье. Фанерное сырье является важной статьей в себестоимости фанерной продукции, его доля достигает 40-50%. Цены на клееную фанеру на российских заводах в период с 2002 по 2012 год увеличились в 2,4 раза, что говорит о постоянном усилении давления сырьевой составляющей на затраты производства [71;143]. Увеличение стоимости обусловлено также дефицитом фанерного сырья. Снижение основных сырьевых затрат является главным направлением повышения производственной эффективности.
Крупнейшие регионы России к 2013 году произвели 8753,2 тыс. м фанеры, что составляет 69% от общего объема фанеры [100].
По данным представленным Федеральной таможенной службой России объем экспорта фанеры в январе 2013 г. вырос на 24,7% – до 52,4 млн.
долларов. В абсолютном выражении экспорт составил 104 тыс. м 3 [97].
Объемы производства, потребления, экспорта, импорта фанерной продукции в России в период с 2009 по 2013 гг. представлен в таблице 1.2 [131].
Объемы производства, потребления, экспорта, импорта фанеры в Данные по объемам производства фанеры в России приведены в таблице 1.3 [56].
Наименование В России продолжается развитие фанерного производства. Причиной этому послужил высокий темп развития в последние годы российского строительного рынка, а также расширение основного заказчика продукта – мебельного производства и строительной сферы. Учитывая 25 проектов новых предприятий по выпуску плитных материалов на 5,4 млн. м 3/год, общий прирост мощностей по древесным плитам и фанере к 2015 году может составить 59% (8,1 млн. м3) [138].
На период до 2020 года прогнозируется двукратное увеличение объемов производства древесных клееных материалов, возможный прирост производства составит не более 50 % [143].
Динамика развития фанерного производства в России показывает наращивание темпов [9]. Прогноз развития рынка плитных материалов на период до 2020 года показывает тенденцию развития и экономического роста. Основными факторами развития рынка фанеры являются:
макроэкономическая обстановка в России в настоящее время, уровень инвестиционного спроса, состояние лесопромышленного комплекса, смежных и потребляющих отраслей [90].
Несмотря на колебания мирового спроса, фанерная продукция остается одним из наиболее востребованных материалов в различных сферах [57]. В условиях восстановления мировой экономики ожидать падения спроса на березовую фанеру не следует, объем экспорта будет также возрастать.
Существенно повысить эффективность фанерного производства возможно при снижении его материалоемкости и рационального использования отходов. Отсюда можно сделать вывод, что резервы по повышению эффективности производства в отрасли огромны [71].
Исходя из приведенных данных, можно предположить, что в ближайшее время произойдет увеличение объемов производства фанерной продукции более чем на 20%, что повлечет за собой увеличение объемов используемого фанерного сырья и образующихся отходов.
1.2. Пути комплексного использования древесных отходов Березовое фанерное сырье – наиболее дефицитный сортимент лесного комплекса, в связи с тем, что для производства требуется кряж достаточно высокого качества и относительно больших размеров. Сокращение запасов деловой березы в европейской части России и увеличение расстояния по доставке сырья позволяют говорить о некоторых проблемах в фанерной промышленности. Другим негативным фактором является низкий процентный выход продукции и большое количество отходов.
При значительном количестве отечественных разработок в области ресурсосбережения в настоящее время на рынке имеется небольшой ассортимент продукции, изготовленной по технологиям, основанным на сокращении расхода древесного сырья и связующего за счет добавления альтернативного сырья во внутренний слой и ряду других направлений [10].
По данным РОСЛЕСХОЗА ежегодный прирост леса составляет млн. м3, вырубается – 205 млн. м3 в год, при этом в лесу остатся до 35 млн.
м3 отходов. Дефицит сырья ставит перед деревообрабатывающей промышленностью задачу наиболее полного использования древесных отходов [58;86;107]. Для созревания деловой древесины, в зависимости от породного состава, требуются в среднем около 50 лет. В этой связи использование отходов производства позволит снизить дефицит древесного сырья [22]. При этом вопрос комплексной утилизации древесных отходов особо актуален.
При производстве фанеры отходы составляют 50-55% от общего объема сырья. Из общего количества отходов 34 % приходится на трудно используемые: кору 11%, стружку 10% и опилки 13%. Шпон-рванина составляет около 30% в структуре отходов фанерного производства.
Наиболее качественным видом отходов считается карандаш и оторцовка от раскроя фанерного кряжа [25;54]. Многие производители плит пренебрегают этим сырьем. По экспертным оценкам специалистов плитного производства, технологическая щепа, содержащая в своем составе щепу из шпона-рванины, малопригодна для производства плитных материалов и может использоваться только в качестве топлива. Однако успешный опыт работы ОАО «Фанплит» (г. Кострома), доказывает, что щепу из шпона-рванины можно использовать для производства качественного наполнителя.
Древесные отходы фанерного производства классифицируют по этапам обработки:
– куски коры, получаемые в результате окорки круглого леса в фанерном производстве;
– кусковые: обрезки (продольные и поперечные), обрезки фанерных кряжей, карандаши, сухих заготовок и деталей, вырезка брака (оторцовка);
– фанерные: обрезки шпона, клееной фанеры;
– древесная пыль и все виды опилок, получаемых при раскрое фанерного кряжа, клееной фанеры, а также шлифовальная пыль;
Кроме древесных отходов при обработке фанерного сырья получаются безвозвратные потери на упрессовку в склеивания и усушку древесины (6Возвратное использование отходов фанерного производства и возможное вовлечение отходов лесопиления, деревообработки, лесозаготовок позволяет снижать себестоимости продукции и способствует их эффективной утилизации [24;25;93].
Вторичная переработка отходов уменьшает площади, занимаемые свалками, снижает дефицит сырьевой базы. Отходы фанерного производства подлежат многократному использованию. Практика повторного использования отходов становится все более распространенной в условиях отсутствия мест для свалок, высоких затратах на транспортировку, а также в связи с ростом цен на сырье [64].
Известно несколько экономически выгодных направлений применения отходов фанерного производства [70;86;101].
В источнике [96], предложен способ производства арболита из отходов фанерного производства.
В работе П.А. Давиденко [54] описаны методы комплексного использования древесных отходов в мебельной и деревообрабатывающей промышленности.
Использование отходов фанерного производства в качестве источника энергии, необходимо рассматривать только на стадии окорки фанерного кряжа. Целесообразно использование отходов от окорки на целлюлознобумажных комбинатах для энергетических целей, так как количество отходов при окорке баланса достигает 11-14% от общего количества потребляемого сырья [55].
В мировой практике функционирования фанерных предприятий при наличии операции окорки сырья, образующиеся отходы перерабатываются в щепу и стружку и направляются в производство древесностружечных плит.
При отсутствии операции окорки отходы сжигаются в топках котельных.
В последнее время наблюдается увеличение объема производств, выпускающих биотопливо (гранулы и брикеты) из древесных отходов.
Данные направления переработки образующихся отходов не являются достаточно эффективными непосредственно для фанерного производства, так как не влияют на показатель расхода фанерного сырья на изготовление единицы продукции.
На данный момент существует рад направлений рационального использования отходов при производстве фанеры.
В работе Д.А. Щедро [145] предложено приоритетное направление переработки отходов путем производства тонкого древесностружечного компонента, для последующего использования в качестве центрального слоя в производстве композиционной фанеры. Данное направление позволит повысить технико-экономические показатели фанерного производства.
композиционных материалов, сочетающих лущеный шпон и древесноклеевую композицию, предложены А.А. Лукашем [82;83;84;102].
Применение данных технологий позволяет снижать материальные производственные затраты за счет использования отходов. Прессование листовых материалов из измельченной древесины с одновременным их облицовыванием шпоном позволяет сократить число технологических операций и повысить производительность труда. Недостатком предложенного способа является узкая сфера применения.
В результате лущения шпона получаются деревянные стержни (карандаши), дальнейшее снятие шпона с которых невозможно. В работах И.С. Инжутова [62;67] исследован и обоснован способ по использованию отходов фанерного производства (карандаша) в качестве строительных элементов (пространственных конструкций).
В работах [6;140] было установлено, что получение качественных клееных материалов из шпона с требуемыми свойствами при снижении материалоемкости и трудоемкости продукции во многом определяется породой древесины, структурой пакета и технологией склеивания.
Возможным путем решения вопросов рационального расходования древесного сырья и использования отходов в фанерной промышленности является производство композиционного материала с внутренними слоями на основе измельченных древесных отходов (шпона-рванины, отходов от форматной обрезки, карандаша и др.).
В структуре данного материала армирующую функцию выполняет лущеный шпон, а внутренние слои из древесно-клеевой композиции играют роль наполнителя и частично заменяют шпон. Подобное производство позволит уменьшить расход дорогого древесного шпона на изготовление единицы продукции и эффективно утилизировать отходы [23;107].
Несмотря на очевидную эффективность композиционного материала на основе шпона и слоев из древесно-клеевой композиции, его производство не развито. Вопросы формирования композиционного материала по рациональным структурам для различных сфер применения и оценка характера влияния на физико-механические свойства недостаточно изучены.
Так же необходимо определить рациональные технологические режимы производства, оценить экономическую эффективность.
Данный древесно композиционный материал может найти широкое применение в строительстве, вагоно- и контейнеростроении, а также в мебельной промышленности, частично заменяя фанеру общего назначения удешевляя конструкции на ее основе и древесностружечные плиты.
1.3. Известные методы формирования древесно-слоистых композиционных материалов на основе отходов деревопереработки Вопросом исследования и производства клееных композиционных материалов с вовлечением отходов деревоперерабатывающих производств занимались многие известные российские и зарубежные ученые. На данный момент известен ряд работ, в которых рассматривались методы формирования древесно-слоистых композиционных материалов. Несмотря на достижения и исследования по данному вопросу, остался рад задач, не затронутых учеными.
В производстве композиционных материалов, получаемых путем плоского прессования, в качестве наполнителя могут применяться вещества различной природы и различных геометрических параметров. Наполнитель определяет прочность, жесткость и сопротивление материала деформации.
Армирующие слои обеспечивают монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям [73].
В ЦНИИФ разработаны два способа изготовления комбинированного материала на основе отходов фанерного производства. В первом способе предлагается формировать материал из трех листов шпона и располагаемой между ними древесно-клеевой массой на основе отходов шпона и обрезков фанеры. Предложена установка по производству этого материала [78].
Во втором способе предлагается формировать тонкую блочношпоновую плиту на основе рубленых полос шпона-рванины. Авторы предполагают, что производство таких материалов позволит снизить расход сырья на изготовление 1 м3 фанеры до 1,33 м3 [78].
В описании изобретения [98] представлен способ изготовления древесно-слоистого материала состоящего из слоев стружечно-клеевой массы и слоев лущеного шпона низкого сорта с целью повышения сортности фанеры и снижения расхода сырья. Для центрального слоя используют низкосортный шпон без починки и прирубки. Недостатком данного способа является снижение прочностных характеристик материала за счет использования шпона низкого качества с большим количеством пороков и высокое содержание связующего.
В описании изобретения к авторскому свидетельству [1] приведен способ производства слоистого материала из древесноволокнистых плит и шпона, включающий склеивание шпона и древесноволокнистой плиты. Суть способа заключается в повышении качества материала за счет увеличения прочности склеивания плиты и шпона и снижения токсичности материала, перед склеиванием осуществляют обработку древесноволокнистых плит насыщенным паром. Слоистый материал обладает высокими физикомеханическими показателями и рекомендован авторами для различных сфер применения. При этом способ обладает рядом недостатков – процесс прессования материала ведется в несколько стадий, что усложняет технологический процесс; формирование структуры пакета производится из материалов с различной структурой. В данном способе отсутствует возвратное использование древесных отходов, так как при изготовлении материала используются готовые древесноволокнистые плиты.
В 1946 г. на Поволжском фанерном комбинате изготовлены первые «фанероплиты» и толстая фанера, средняя часть которой изготовлена из отходов фанерного производства [93].
В 50-х годах ХХ века на Бобруйском фанерном комбинате разрабатывали технологию производства фанероплит и толстой фанеры на основе опилок и древесной стружки [93]. Организация производства велась в две стадии, сначала производятся слои-брикеты из древесных частиц, затем производится сборка конструкции в пакет и его облицовывание шпоном в горячем прессе. В качестве связующего использовали синтетические и органические клеи. Производство таких материалов позволяет обеспечить более полное и рациональное использование отходов деревопереработки.
В работах С.А. Угрюмова [126;129] предложен способ формирования композиционной фанеры с внутренним слоем из отходов текстильного производства. Доказано, что отходы льнопроизводства могут эффективно использоваться в качестве наполнителя композиционной фанеры.
В источнике [93] представлены способы формирования облицованных древесноволокнистых плит, древесноволокнистых пропитанных пластиков, древеснослоистых волокнистых пропитанных пластиков, на основе отходов фанерного производства. Предложены способы формирования равнопрочной конструкции материалов в зависимости от прогнозируемых сфер применения. Облицовывание шпоном повышает физико-механические показатели материала.
являются: изучение влияния межфазного взаимодействия между древесными частицами и шпоном, а так же определение рациональной структуры и дозировки компонентов [30;87].
Условием высокого межфазного взаимодействия на границе раздела покрытия (шпон) и подложка (внутренний слои из древесно-клеевой композиции) является превышение когезионной прочности клея, подложки и покрытия над адгезионной прочностью покрытия и подложки [63]. Это условие может быть удовлетворено для всех типов покрытий на древесных подложках. Для его определения разработаны методы определения адгезионной прочности. Лучшим из них является метод равномерного отрыва покрытия от подложки [63].
На качество внутренних слоев из древесно-клеевой композиции значимое влияние оказывают размеры единичных частиц наполнителя, их взаимное расположение, стабильность размерных показателей, фракционный состав, количество связующего и его распределение по поверхности частиц, плотность упаковки частиц в структуре материала [110;113].
В работах Г.М. Шварцмана приведены результаты исследований характеристики древесных частиц, используемых в качестве наполнителей композиционных материалов [144]. Согласно его исследованиям, прочностные показатели материалов практически прямо пропорциональны плотности их укладки и зависят от типа дискретных частиц.
Прочностные показатели древесных композиционных материалов увеличиваются при уменьшении толщины частиц, поскольку при этом возрастает количество частиц в единице объема материала и количество клеевых прослоек между ними. Существенное увеличение прочности наблюдается при толщине частиц менее 0,6 мм. Оптимальными считаются частицы толщиной 0,2…0,4 мм и длиной 20…50 мм [94].
характеристики плитных материалов типов и размеров древесных частиц приведены в работах И.М. Дыскина [60] В данных исследованиях не выявлена зависимость прочностных показателей плитных материалов от толщины стружки, что связано с сопоставлением результатов экспериментов, проведенных с использованием стружки полученной различными способами.
На качественные показатели клееных материалов, изготовленных на основе древесных частиц, оказывают влияние множество факторов:
породный состав, качество подготовки исходного сырья (влажность, фракционный размер частиц, форма частиц и др.), тип и количество клея, распределенного по поверхности частиц, режимные факторы прессования (температура, давление, время выдержки под давлением, время снятия давления и др.), и др. [66].
формирования древесных материалов на основе отходов и прогнозируемый рост объемов производства фанеры, на данный момент отсутствуют производства таких видов композиционных материалов, а результаты исследований практически не используются на практике.
В настоящее время остается актуальным совершенствование производств древесных композиционных материалов по ресурсо- и энергосберегающим технологиям, позволяющим повысить эффективность деревоперерабатывающей промышленности.
1.4 Выбор клея для производства композиционного материала Клей является одним из главных компонентов при производстве фанеры и составляет около 20% в себестоимости готовой продукции [75;
123]. В настоящее время для производства фанерной и плитной продукции используются различные типы связующего. В основном это синтетические клеи на основе синтетических олигомеров [3;75;123]:
– резорциноформальдегидные;
– меламиноформальдегидные;
– карбамидомеламиноформальдегидные;
– фенолоформальдегидные;
– карбамидоформальдегидные.
Клеи, применяемые для производства древесных композиционных материалов на основе древесных отходов, должны удовлетворять следующим требованиям [61;123]: быть простыми в употреблении, обеспечивать прочность клеевого соединения и устойчивость его формы, обладать хорошими адгезионными свойствами, быть водо- и биостойкими, являться жизнеспособными и регулируемыми по времени отверждения, проявлять нейтральность к древесине, сохранять механическую прочность и не вызывать быстрого износа режущих кромок инструмента. Клеев, одновременно удовлетворяющих всем требованиям, в настоящее время практически нет, их выбирают в зависимости от назначения изделия.
резорциноформальдегидных смол слабо развито в нашей стране, а их стоимость значительно выше, чем у феноло- и карбамидоформальдегидных смол. В сравнении с клеями на основе фенолформальдегидных смол карбамидоформальдегидные клеи обладают рядом преимуществ [120;123]:
– низкая стоимость;
– сниженное содержание свободного формальдегида;
– образование бесцветного клеевого шва, что улучшает эстетические качества готовой продукции;
– возможность сборки пакета без предварительной сушки шпона, что ведет к снижению затрат на производство и количеству производственных операций;
– меньшие значения технологических факторов (температура, давление, продолжительность прессования).
Недостатками карбамидоформальдегидных клеев в сравнении фенолоформальдегидными являются низкая водостойкость, сниженные показатели прочности готовой продукции и увеличение продолжительности холодной подпрессовки [120;123].
Надежным способом защиты клееного материала от воздействия воды является использование для склеивания водостойких фенолформальдегидных смол. Однако при этом возрастает себестоимость продукции за счет высокой стоимости клеевых материалов и повышения энергетических затрат при создании более высокой температуры прессования [128].
В мировой практике для производства древесностружечных плит используются карбамидоформальдегидные, фенолоформальдегидные и изоцианатные смолы. В качестве связующего на российских предприятиях по производству ДСтП в основном используются карбамидоформальдегидные смолы. Остальные виды связующих мало распространены в виду отсутствия их производств на территории нашей страны и достаточно высокой стоимости. Наиболее распространнная марка смолы – КФ-НФП с содержанием формальдегида 0,15 % и высокой концентрацией сухого вещества (66%) [25].
С целью уменьшения водопоглощения и изменения формы внутренних слоев композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции возможно применение способов, суть которых сводится к изоляции древесных частиц и шпона от воды тонкими водонепроницаемыми прослойками [128].
Введение в клеевой состав на основе карбамидоформальдегидной смолы парафиновой эмульсии при производстве композиционного материала заметно препятствует сорбции воды [147]. Добавление парафиновой эмульсии в количестве 0,5…1% от массы древесных частиц во внутренних слоях повышает водостойкость до уровня водостойкости материала на основе фенолформальдегидной смолы. Это количество добавляемой парафиновой эмульсии рекомендовано для производства качественной готовой продукции [126;128;130].
Для горячего склеивания фанерной продукции в качестве отвердителя применяют хлористый аммоний в порошке (0,5-1 % к массе абсолютно сухой смолы) [120;123;128].
Норма расхода карбамидоформальдегидного клея при использовании шпона березы толщиной менее 2,0 мм составляет: 110...130 г/м2 [120;123].
Средняя норма расхода карбамидоформальдегидного клея (по сухому остатку) по отношению к массе абсолютно сухих березовых древесных частиц при их осмолении во внутренних слоях составляет 10..14 % [99;120;123].
В связи вышесказанным для производства композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции целесообразно использовать клеи на основе карбамидоформальдегидных смол. Например, для нанесения на слои лущеного шпона карбамидоформальдегидную смолу карбамидоформальдегидную смолу марки КФ-Н-54П.
эффективное развитие фанерного производства возможно при рациональном использовании образующихся древесных отходов. Древесные частицы, полученные путем измельчения отходов фанерного производства, являются эффективным наполнителем композиционных материалов, что объясняется рядом положительных качеств, а именно:
– стоимость древесных частиц, как сырья для производства, ниже стоимости фанерного кряжа, в связи с этим, с экономической точки зрения, использование древесных частиц полученных из отходов, будет способствовать снижению себестоимости готовой продукции;
– с технологической точки зрения использование древесных частиц позволит уменьшить затраты на производство за счет снижения расхода сырья и затрат на его закупку.
Формирование подобных древесных композиционных материалов на основе отходов фанерного производства невозможно без определения рациональных конструкций материала, комплексного исследования физикомеханических показателей и прогнозируемых сфер применения.
В связи с вышесказанным, определена цель исследования – обоснование структуры и технологии композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи теоретических и экспериментальных исследований:
– обоснование рациональной структуры композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции;
– экспериментальное исследование физико-механических свойств композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции;
– обоснование методики оценки межфазного взаимодействия в композиционном материале;
– разработка технологии и рациональных режимов склеивания композиционного материала;
– обоснование экономической целесообразности предлагаемых технических решений.
РАЗДЕЛ 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При проведении экспериментальных исследований были использованы следующие материалы:1. Древесные частицы (специальная плоская резаная стружка), произведенные в условиях ОАО «Фанплит», г. Кострома из отходов фанерного производства (шпона-рванины, обрезков кускового шпона) на центробежных стружечных станках ДС-7. Средние размеры стружки составляют по длине 12,7 мм, ширине 1,3 мм, толщине 0,7 мм, фракция 10/2.
2. Лущеный березовый шпон по ГОСТ 99-96, номинальной толщиной 1,15 и 1,5 мм, произведенный в условиях ОАО «Фанплит», г. Кострома на шпиндельных лущильных станках ЛУ-17. Отобран шпон I и II сорта.
3. Карбамидоформальдегидная смола марки КФ-Н-66П по СТП 5500-01синтезированные на основе форконцентрата в условиях цеха смол ОАО «Фанплит», г. Кострома с массовой долей свободного формальдегида через 1 сутки после изготовления не более 0,08% (для нанесения на поверхности шпона).
4. Карбамидоформальдегидная смола марки КФ-Н-54П по ТУ У 24.1синтезированные на основе форконцентрата в условиях цеха смол ОАО «Фанплит», г. Кострома с массовой долей свободного формальдегида через 1 сутки после изготовления не более 0,08% (для осмоления древесных частиц).
5. Отвердитель – хлористый аммоний технический (NH4Cl) по ГОСТ 2210-73.
6. Парафиновая эмульсия «Эрговакс-60» по ГОСТ 23683-89.
7. Растворитель Р-646 для обезжиривания приборов и оборудования по ГОСТ 18188-72.
8. Фильтровальная бумага по ГОСТ 12026-76.
9. Шурупы исполнение 1, диаметр 4 мм по ГОСТ 1144-80, ГОСТ 1146-80.
10. Клей эпоксидный универсальный марки ЭДП быстрого отверждения ТУ 2385-039-54804491-2004.
Для дозирования и контроля свойств материалов, предназначенных для изготовления образцов композиционного материала, использовались следующие приборы и оборудование: стеклянная посуда (ГОСТ 25336–82);
мерная лабораторная посуда (ГОСТ 1770–74); приборы мерные лабораторные стеклянные (ГОСТ 20292–74); секундомер механический СОС Пр–2б–2–000 «Агат» 4295Б (ГОСТ 5072–79); весы технические JV–1 (ГОСТ 24104–88); вискозиметр ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 9070–75);
весы технические ВЛТК-500 (ГОСТ 24104-88) с погрешностью взвешивания не более 0,1 г; весы технические JV-1 с погрешностью взвешивания не более 0,01 г; шкаф сушильный лабораторный ШС-3, агрегат для экстракции формальдегида.
Прессование образцов велось в гидравлическом прессе П100-400 с применением ограничительных прокладок. Определение влажности сухой стружки и осмоленного наполнителя для внутреннего слоя проводилось с помощью влагомера ВИМС-2.21 с объмно-планарным и зондовым датчиком. Макрографические данные об образцах получены с помощью микроскопа МБС-10 оснащенного фотокамерой.
Для оценки физико-механических свойств образцов композиционного материала, полученного в лабораторных условиях, использовались следующие приборы и оборудование: универсальная испытательная машина Р-5 (ГОСТ 28840-90); универсальная машина для механических испытаний МР-0,5-1 (ГОСТ 28840-90); крепжные приспособления для испытаний образцов, микрометр (ГОСТ 6507-90); сверло для кольцевого сверления диаметром (30±0,1) мм; березовые цилиндры диаметром (29,8 ± 0,1) мм, длиной 60 мм; сосуд для воды с термостатом из нержавеющей стали, обеспечивающим постоянную температуру (20±1) °С, и с устройством в виде решетки из проволоки, позволяющим удерживать под водой в вертикальном положении образцы для определения водопоглощения и разбухания по толщине, штангенциркуль ШЦ–1 (ГОСТ 166–89) с ценой деления 0,1 мм, установка для испытаний образцов методом «огневой трубы».
Правила отбора, число, точность изготовления и погрешность измерения образцов определяли по ГОСТ 10633-78 [32,50]. Образцы взвешивали на технических весах с точностью до 0,01 г, измеряли длину образцов с точностью до 0, 1 мм [40], ширину и толщину с точностью до 0, мм [47].
При механических испытаниях нагрузка на образец возрастала равномерно в течение (60±15) секунд до разрушения образца или со скоростью перемещения подвижного захвата испытательной машины (10±1) мм/мин [44].
2.3. Методика расчета необходимого количества связующего для склеивания композиционного материала Для производства композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции использовалось связующее марки КФ-Н-66П на основе карбамидоформальдегидной смолы для нанесения на лущеный шпон, связующее марки КФ-Н-54П – для осмоления древесных частиц во внутренних слоях. Обе марки связующего применяются для производства фанеры и ДСтП на ОАО «Фанплит» (г. Кострома).
Технологическая норма расхода клея для нанесения на поверхности шпона контактным методом составляла 110 г/м2 [75;123].
Расчетный расход клея на один лист шпона определяется по формуле:
QP1 – расчетный расход клея, г;
где q – норма расхода клея, г/м2;
Fш – площадь листа шпона, м2;
nпл – количество пластей, покрываемых клеем у листа шпона. При контактном способе нанесения клея К = 2.
Расход клея на пакет материала определяется по формуле:
QPп – расход клея на пакет, г;
где nн – количество листов шпона с нанесенным клеевым слоем.
2.4. Методика приготовления связующего Приготовление связующего осуществляли путем смешивания смолы с отвердителем (раствором хлористого аммония NH4Cl) в количестве 1% от массы абсолютно сухой смолы.
Для получения раствора отвердителя в мерный стакан помещали необходимое количество порошкообразного отвердителя, доливали воды массой (mВ), смесь тщательно перемешивали до полного растворения.
Полученную смесь вливали тонкой струей в смолу массой (mс) при интенсивном перемешивании.
Необходимое количество сухого отвердителя определяли по формуле:
где m0 – количество добавляемого в смолу сухого отвердителя, г;
mс – масса смолы, г (необходимое количество на лист или на пакет шпона);
К – массовая доля сухого остатка для смолы КФ-Н-66П, К = 66 %;
Р – количество добавляемого отвердителя, %.
Количество раствора отвердителя определяли по формуле:
где m’0 – масса раствора отвердителя, г;
Кр – концентрация раствора.
Количество воды для растворения отвердителя определяли по формуле:
где mВ – количество воды для раствора отвердителя, г.
2.5. Методика расчет необходимого количества древесных частиц для приготовления внутренних слоев композиционного материала Расчт основных компонентов для изготовления внутренних слоев материала проводили по следующим расчетным формулам [99].
Массу древесного заполнения определяли по формуле:
где Gпл – масса готового материала, кг;
l,b – длина и ширина материала;
h – толщина материала;
pпл – заданная плотность материала.
Массу абсолютно сухих стружек, необходимых для изготовления одной образца материала определяли по формуле:
где G0 – масса абсолютно сухих стружек, кг;
Wпл – влажность готового материала, обычно 7-10%, Р – расход абсолютно сухого связующего, %.
Массу стружки с учтом е начальной влажности определяли по формуле:
где Wстр – влажность стружки,%.
Массу абсолютно сухой смолы определяется по формуле:
Gс.см.вн.(нар.) = Gс.см. вн.(нар.) Рвн.(нар.) Кп.вн.(нар.)/100, (2.9) где Gс.см.вн.(нар.) – расход абсолютно сухой смолы соответственно для внутреннего и наружных слов, %.
Рвн.(нар.) – норма расхода связующего для внутреннего и наружного слов, %;
Кп.вн.(нар.) – коэффициенты, учитывающие потери смолы при производстве плит, Кп.= 1,05.
Массу смолы в виде раствора определяли по формуле:
где GЖ.см.вн.(нар.) – масса смолы в виде раствора, кг.
Массу необходимого количества отвердителя определяли по формуле:
где Ротв. – процент добавленного отвердителя, %.
2.6. Определение плотности композиционного материала Плотность материала определяли по ГОСТ 9621–72 [51]. Для определения плотности изготавливали образцы размером 100х100х12 мм.
Образцы взвешивали и определяли их размеры. Измерение толщины образца производили в четырех точках по центру каждой стороны. За толщину образца принимали среднее арифметическое результатов четырех измерений.
Длину и ширину образца измеряли в двух точках параллельно кромкам.
Плотность образца вычисляли с точностью до 1 кг/м3 по формуле:
– плотность образца, кг/м3;
где m – масса образца, кг;
l – длина образца, м;
b – ширина образца, м;
S – толщина образца, м.
2.7. Определение водопоглощения, разбухания по толщине Определение водопоглощения, разбухания по толщине и объемного разбухания композиционного материала производили по ГОСТ 9621–72 [51] на образцах длиной 80 мм, шириной 4 мм, толщиной 12 мм. Для определения водопоглощения и разбухания образцы погружали в емкость с водой.
Температуру воды поддерживали на уровне (202)С.
Через 24 часа образцы извлекали из воды, осушали их поверхности, повторяли измерение массы и размеров в тех же точках.
Водопоглощение определяли с точностью до 1% по формуле:
где WВД – водопоглощение материала, %;
m1 – масса образца после увлажнения, г;
m – масса образца до увлажнения, г.
Разбухание материала по толщине определяли по формуле:
где PS - разбухание материала по толщине, %;
S1 – толщина материала после увлажнения, мм;
S – толщина материала до увлажнения, мм.
Объемное разбухание материала определяли по формуле:
где Р0 – объемное разбухание материала, %;
S1, b1, l1 – толщина, ширина, длина образца после увлажнения, мм;
S, b, l – толщина, ширина, длина образца до увлажнения, мм.
водопоглощения оценивали также на образцах форматом 10010012 мм.
Замеры толщины образцов производили в четырех точках посередине каждой стороны, длины и ширины – в двух точках параллельно кромкам.
2.8. Определение предела прочности при статическом изгибе Оценку прочности образцов материала при статическом изгибе проводили в соответствии с ГОСТ 9625–87 [53]. Образцы для испытаний изготавливали прямоугольной формы размерами 250х50х12 мм. Расстояние между опорами приспособления для испытаний составляло 200 мм.
Перед испытанием измеряли поперечное сечение образца в середине его длины: ширину, толщину.
Максимальную нагрузку фиксировали на шкале испытательной машины.
Предел прочности при статическом изгибе для каждого образца вычисляли с точностью до 0,1 МПа по формуле:
где и – прочность при изгибе, МПа;
Рmax – максимальная нагрузка, при которой образец разрушается, МПа;
l – расстояние между опорами испытательного приспособления, мм;
2.9. Определение предела прочности при отрыве перпендикулярно Оценку прочности материала при отрыве перпендикулярно пласти проводили в соответствии с ГОСТ 10636-90 [35].
К пластям образцов квадратной формы со стороной (50±1) мм при помощи эпоксидного клея приклеивали колодки из древесины березы для образования испытательных блоков.
Предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти образца в МПа (кгс/ см2) с точностью до 0,01 определяли по формуле:
где t – предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти, МПа;
Р – максимальная разрушающая нагрузка, Н;
b – ширина образца, мм;
2.10. Определение предела прочности при выдергивании шурупов Оценка прочности при выдргивании шурупов из пласти и кромки материала проводили в соответствии с ГОСТ 10637-88 [36].
Образцы имели форму квадрата со стороной 50 мм. При определении удельного сопротивления выдргиванию шурупов в центре грани образца перпендикулярно ей просверливали отверстие диаметром 2,5 мм. В просверленное отверстие завинчивали шуруп: в пласть – таким образом, чтобы резьба на (3±1) мм выступала с оборотной стороны образца, в кромку на длину резьбовой части шурупа.
Удельное сопротивление выдргиванию шурупов вычисляли с точностью до 0,1 Н/мм по формуле:
где qш – удельное сопротивление выдергиванию шурупов, Н/мм;
Pmax – наибольшая нагрузка, Н;
l – длина несущей резьбовой части шурупа, мм.
2.11. Определение межфазного взаимодействия в зависимости от Методики оценки межфазного взаимодействия композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции по граничным слоям, характеризующей адгезионное взаимодействие на границе раздела фаз (шпона и древесно-клеевой композиции), не существует. Для определения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз за основу взята методика оценки прочности фанеры при скалывании по клеевому слою по ГОСТ 9624-2009 [52]. Для испытаний были изготовлены образцы, форма скалываемой части которых представлена на рисунках 2.1-2.3.
Рисунок 2.1 (а, б). Образцы для испытаний структуры №1.
Рисунок 2.2 (в, г). Образцы для испытаний структуры №2 и №3.
Рисунок 2.3. Образец для испытания структуры №4.
Длина образца (L) составляла 85 мм, толщина (S) – 12 мм. Ширина пропила определялась в зависимости от толщины пропила и составляла от до 15 мм для осуществления возможности полного захвата испытательным приспособлением. Глубину пропила (h) определяли в зависимости от структуры древесного композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции.
применяемого для испытаний, и составляла (40 ± 0,5) мм. Ширину плоскости скалывания для образцов измеряли посередине длины плоскости скалывания.
Длина плоскости скалывания l составляла (12,5±0,5) мм. Длину плоскости скалывания принимали равной среднеарифметическому значению двух измерений.
Определение предела прочности при скалывании по границам раздела проводили на испытательной машине Р-5, оборудованной клиновыми захватами.
фиксирующих устройств таким образом, что нагрузка передавалась без представлена на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 Схема крепления образца в разрывной машине.
Разрушающую нагрузку определяли с точностью до ± 1 Н. Для каждого образца фиксировали разрушающую нагрузку и степень разрушения (по древесине шпона, по древесно-клеевой композиции, смешанное разрушение).
Предел прочности при скалывании для каждого образца определяли с точностью до 0,1 МПа по формуле:
где tск – предел прочности при скалывании, МПа;
Рmах - максимальное значение разрушающей нагрузки, Н;
b - ширина образца (плоскости скалывания), мм;
l - длина плоскости скалывания, мм.
2.12. Оценка адгезионной прочности в зависимости от структуры Методики оценки адгезионной прочности в зависимости от структуры композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции не существует. Для оценки адгезионной прочности при отрыве по границам раздела фаз использована методика определения адгезии облицовывающих покрытий по ГОСТ 27325-87 [42]. Сущность методики заключается в отрыве участка облицовывающего покрытия (листов лущеного шпона) от подложки (внутренних слоев из древесно-клеевой композиции) в перпендикулярном к ней направлении в зависимости от структуры материала и определении необходимого для этого усилия.
Определение адгезионной прочности производили на образах композиционного материала размерами 50х50 мм. Пред испытанием образцы предварительно выдерживали в течение 5 часов, в помещении при температуре воздуха (20±2) °С и относительной влажности (55…70) %.
На рабочую поверхность березового цилиндра ровным сплошным слоем наносили эпоксидный клей марки ЭДП ТУ 2385-039-54804491-2004.
На поверхность покрытия по центру образца наклеивали цилиндр перпендикулярно горизонтальной плоскости, после чего делали выдержку в течение 24 часов в помещении при температуре воздуха (20±2) °С. После выдержки сверлили поверхность покрытия вокруг цилиндра до подложки, допуская появление следа сверления на внутреннем слое из древесно-клеевой композиции. Внешний вид образца для испытания композиционного материала представлен на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5. Внешний вид образца для определения адгезионной прочности.
Для проведения испытаний применялась разрывная машина Р-5.
Испытуемые образцы устанавливали в приспособление для испытаний.
Приспособление для испытаний крепили к верхнему захвату машины через цилиндр по схеме, приведенной на рисунке 2.6.
1 - захват образца; 2 - образец; 3 - березовый цилиндр Рисунок 2.6. Схема крепления образца в разрывной машине.
адгезионной прочности испытания проводили для наружных и центральных листов шпона. Схемы установки цилиндров при испытании адгезии наружных и центральных листов шпона в пакете в зависимости от структуры материала представлены на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7. Схемы установки цилиндров при испытании:
а) структура №1 (наружные листы шпона); б) структура №2 (наружные листы шпона); в) структура №2 (центральный лист шпона); г) структура № (наружные листы шпона); д) структура №3 (центральный лист шпона);
1 – слой эпоксидного клея; 2 – березовый цилиндр;
3 – наружные листы шпона; 4 – центральный лист шпона.
Величину разрушающей нагрузки определяли с точностью до ±1H.
По результатам испытаний устанавливали характер разрушения образца (по древесине шпона, по клеевому слою, по внутреннему слою из древесно-клеевой композиции, смешанный тип).
Адгезионную прочность при отрыве для каждого образца определяли с точностью до 0,1 МПа по следующей формуле:
где А – адгезионная прочность, МПа;
Р – величина разрушающей нагрузки, Н;
Sот – площадь отрыва, мм2.
Площадь отрыва определяется по формуле:
где d – внутренний диаметр сверла, мм.
2.13. Оценка огнезащищенности композиционного материала Огнезащищенность материала определяли методом огневой трубы [88], на образцах форматом 15035 мм, влажностью 7..9%. Испытуемый образец закрепляли в металлической трубе длиной 165 мм, диаметром 50 мм. Под образец, выступавший из трубы на 5 мм, подводили пламя спиртовой горелки. Горелку устанавливали под образцом на расстоянии 10 мм. Высота пламени составляла 50…55 мм. Продолжительность выдержки образца в пламени составляла 90 секунд. Затем спиртовку удаляли и фиксировали время самостоятельного горения и тления образца.
Потерю массы образца материала определяли по формуле:
где m – потеря массы образца, %;
mо – начальная масса образца, г;
mк – масса образца после испытания, г.
2.14. Оценка экологических показателей композиционного Экологическую безопасность композиционного материала оценивали перфораторным методом согласно ГОСТ 27678–88 [43]. Суть метода заключается в экстрагировании в перфораторе формальдегида из образцов кипящим толуолом, поглощении его дистиллированной водой и обратном йодометрическом титровании.
2.15. Методика определения необходимого объма экспериментальных приближенную проверку нормальности распределения выборки с помощью показателей асимметрии A и эксцесса E. Впоследствии приняли гипотезу о нормальном распределении выходной величины, поскольку характеристики соответствующего среднего квадратического отклонения.
Минимальное число дублированных опытов n, при котором среднее арифметическое У, найденное по этой выборке, отличалось не более чем на 5%, рассчитывали по формуле:
где t – значение t-критерия Стьюдента;
– относительное допустимое отклонение, принимается не более 5%.
По результатам предварительных экспериментов установили необходимое и достаточное количество опытов, необходимое для получения результатов с показателем точности, не превышающим 5%, равное 5.
Расчты статистических характеристик проводили при уровне доверительной вероятности равном 0,95.
2.16. Методика построения и обработки многофакторных С целью исследования влияния управляемых факторов на свойства композиционного материала составили полный факторный план, дополненный опытами в “звездных точках” для построения В-плана второго порядка [2;103]. Необходимый объем выборки для получения достоверных средних значений определили на основе результатов предварительно проведенных экспериментов, количество дублированных опытов для всех выходных величин составило 5.
Математическая обработка результатов эксперимента произвелась по методике [2;103] в следующей последовательности:
1. Проверка наличие грубых ошибок (по критерию Стьюдента).
2. Проверка однородность дисперсий опытов (по критерию Кохрена).
3. Расчет коэффициентов уравнения регрессии.
4. Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии (по критерию Фишера) 5. Проверка адекватности математических моделей.
6. Проверка эффективности математической модели.
7. Перевод уравнений регрессии из кодированных обозначений факторов в натуральные.
методической сетке, представленной в таблицах 2.1, 2.2, 2.3, 2.4.
Таблица 2. Обобщенная методическая сетка проведения экспериментов по оценке характера разрушений образцов п/п исследований Наименование Значение Наименование Значение Исследование характера композиционного изготовленного по статическом изгибе Таблица 2. Обобщенная методическая сетка проведения экспериментов по оценке влияния межфазного взаимодействия при разрушении образцов композиционного материала при скалывании и отрыве облицовки п/п исследований Наименование Значение Наименование Значение Исследование характера скалывании и отрыве облицовки Таблица 2. Обобщенная методическая сетка проведения экспериментов по исследованию свойств композиционного материала Исследование композиционногомассы древесных частиц, % 150 структуры №2 перпендикулярно изготовленного Удельное время прессования, по рациональным мин/мм Таблица 2. Обобщенная методическая сетка проведения экспериментов по оценке влияния технологических факторов на свойства п/п исследований Наименование Значение Наименование Значение Исследование Толщина материала, мм связующего от материала, Давление прессования, Количество
РАЗДЕЛ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СВОЙСТВ
КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
3.1. Выбор и оценка структуры композиционного материала Древесина – анизотропный материал, е механические свойства зависят от направления силовых воздействий относительно ориентации волокон. В основном неоднородность физических свойств древесины в разных направлениях обусловлена волокнистой структурой [12].необходимо учитывать анизотропию древесины. Увеличение прочности в направлениях несовпадающих с направлением волокон происходит при модификации и прессовании [80]. Путем определенной структуры сборки и склеивания листов шпона получают материалы со сниженным влиянием анизотропии, а так же снижается влияние наличия пороков древесины на физико-механические показатели [76].
Выбор рациональной структуры материала напрямую зависит от предполагаемой сферы применения материала и прогнозируемых физикомеханических характеристик [92].
направлениях приложения нагрузки можно влиять путем изменения взаимного расположения волокон в смежных листах шпона [108].
композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции являются: разработка теоретических основ механического поведения, комплексное исследование физико-механических характеристик при сложных схемах нагружения с учетом совместного воздействия механических и эксплуатационных факторов. Обоснование выбора рациональной структуры композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции остатся мало изученным в настоящее время.
Под структурой композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции будем понимать число слоев шпона осмоленных древесных частиц, полученных из измельченных отходов фанерного производства.
Для нахождения вероятных сфер применения композиционного материала необходимо теоретическое обоснование структуры и экспериментальное исследование физико-механических характеристик [76].
Одним из основных видов нагружения деревянных конструкций при эксплуатации является изгиб [117]. Прочность при изгибе является важной эксплуатационной характеристикой композиционных материалов [106;122;148].
Фанера имеет высокую прочность для сопротивления изгибающим усилиям благодаря волокнистой структуре древесины и конструкции сборки пакета (взаимоперпендикулярное расположение листов шпона) [46]. Высокая прочность и легкость обусловливают широкое применение фанеры при изготовлении элементов конструкций, работающих на изгиб [136].
Испытания на изгиб воспроизводят характерные для конструктивных элементов условия нагружения, позволяют оценить механические свойства материалов в хрупком состоянии и выявить свойства, наиболее напряженных при разрушении, поверхностных слоев [132].
Слои в фанере деформируются как однородный монолитный материал с одним общим нейтральным слоем (нейтральной линией), так как они синтетического связующего.
Известно, что изгибающий момент, возникающий при изгибе, вызывает в поперечном сечении материала нормальные напряжения растяжения и сжатия вдоль волокон, а перерезывающая сила – касательные напряжения сдвига на скалывание вдоль волокон. Первые достигают максимальных значений в наружных слоях, наиболее удаленных от нейтральной плоскости, а вторые – в нейтральной зоне, которая теоретически располагается посредине высоты сечения [114;117;122;132].
На характер деформаций значимо влияют физико-химические свойства исходного материала (влажность, размеры частиц, порода и т. д.) [111;118].
Данные теоретические положения легли в основу при разработке рациональных структур композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции. Структуры материала учитывают условия соответствия прочности материала требованиям нормативов.
Исходя из цели снижения расхода шпона в пакете и возвратного использования отходов, нами предлагается применять в качестве наполнителя слои из древесно-клеевой композиции, полученной при измельчении отходов фанерного производства.
При формировании пакета листы шпона необходимо использовать как армирующие слои и располагать на поверхности композиционного материала для предотвращения разрушения от нормальных напряжений, поскольку шпон обладает большей прочностью при изгибе по сравнению со слоями из древесно-клеевой композиции. Целесообразно также располагать листы шпона для упрочнения материала в центральной части симметричного сечения, где при изгибе достигают максимального значения касательные напряжения.
Такой подход позволит снизить себестоимость материала за счет использования древесно-клеевой композиции с более низкой прочностью в слабо нагруженных зонах пакета фанеры, взамен дорогостоящих слоев березового шпона, сократить расхода фанерного сырья при производстве.
Рациональные структуры композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции представлены на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1. Рациональные структуры композиционного материала:
1 – листы шпона с продольным направлением волокон;
3 – листы шпона в поперечном направлении.
Для подтверждения теоретических предположений требуется произвести экспериментальную проверку прочности композиционного материала при изгибе.
При использовании различных структур изменяются эксплуатационные характеристики материала. Развитие и прогнозирование эксплуатационных свойств возможно лишь при глубоком понимании физико-химических процессов, происходящих на различных стадиях производства [124].
структурообразования материала на различных стадиях технологического процесса позволяет вникнуть в суть происходящих явлений, определить влияние основных технологических факторов на развитие качественных свойств, управлять технологией с целью создания материала с комплексом программируемых свойств.
В лабораторных условиях были изготовлены опытные образцы по рациональным структурам материала для комплексной оценки их физикомеханических свойств. Общая номинальная толщина образцов составляла мм, формат образцов 320320 мм2.
Макроскопические исследования композиционного материала вели с помощью микроскопа МБС-10, оснащенного фотокамерой. Полученные данные позволили определить характер расположения древесных частиц и листов шпона, степень их уплотнения, оценить и проанализировать структуру готового материала.
По результатам макроскопических исследований определено:
– древесные частицы упакованы плотно, величина упаковки не превышает предельного значения, так как отсутствует видимая механическая деформация частиц и разрушения с появлением трещин. Появление таких дефектов негативно сказывается на прочностных характеристиках и гидрофобных показателях материала.
– внутренне строение слоев из древесно-клеевой композиции имеет равномерное заполнение, при соприкосновении частиц разного размера отсутствуют пустоты значительной величины.
– центральные листы шпона не имеют короблений и искривлений значительной величины, что позволяет говорить о равномерном дозировании осмоленных древесных частиц во внутренних слоях материала.
На рисунках 3.2-3.5 представлены срезы композиционного материала в зависимости от структуры с увеличением в 25 раз.
Рисунок 3.2. Срез композиционного материала, структура №1.
Рисунок 3.3. Срез композиционного материала, структура №2.
Рисунок 3.4. Срез композиционного материала, структура №3.
Рисунок 3.5. Срез композиционного материала, структура № При расчете компонентов для внутренних слоев был использован классических древесностружечных плит [121].
представлены в таблице 3.1.
Таблица 3. Расход компонентов для производства экспериментальных образцов материала наполнителя, г связующего, г поверхностей После выгрузки композиционного материала из пресса и его нормализации в течение 24 часов проводили раскрой на образцы для определения физико-механических свойств.
3.2. Напряженное состояние композиционного материала при изгибе Композиционный материал на основе шпона и древесно-клеевой композиции можно рассматривать как многослойную пластину. При определении распределения напряжений и деформаций в многослойной пластине будем считать, что материал каждого слоя идеально упруг, а поперечным нормальным напряжением можно пренебречь по сравнению с нормальными напряжениями в плоскости слоя. Считаем также, что материалы всех слоев имеют плоскость упругой симметрии, ортогональную вертикальной оси сечения.
Связь между напряженным и деформированным состояниями определяется на основе уравнений теории анизотропных сред. Аргументируя выбор этой теории, следует, в частности, указать на технологические несовершенства – недостаточную адгезию, частичную искривленность волокон, отклонения центрального листа шпона от нейтральной линии и др., неизбежно сопровождающие процесс изготовления композиционных материалов и вносящие возмущения в распределение напряжений.
Рассматриваемые образцы фанеры с внутренними слоями из древесноклеевой композиции составлены из нечетного (2/m+1) числа анизотропных слоев. Относительно координатной поверхности (=0) слои расположены симметрично, имеют разные толщины и различные физико-механические свойства. Координатная поверхность =0 является срединной поверхностью, как среднего слоя, так и всего пакета в целом.
При рассмотрении теории следует принять следующие допущения:
– слои имеют одинаковые толщины и физико-механические свойства;
– слои представляет собой упругое однородное изотропное тело;
– слои имеют прямоугольное поперечное сечение и находятся в условиях идеального контакта с клеем.
Обобщенная схема расположения слоев в структуре композиционного материала представлена на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6. Схема расположения слоев в структуре композиционного материала Гипотеза недеформируемых нормалей, принятая для структуры материала в целом, является основной предпосылкой классической теории анизотропной слоистой оболочки, составленной из нечетного числа слоев, симметрично расположенных относительно центральной плоскости.
Принятие гипотезы освобождает от рассмотрения перемещений и деформаций каждого слоя в отдельности. Все характеристики деформации и перемещения каждого слоя получаются из перемещений срединной поверхности некой приведенной однородной анизотропной оболочки [6].
Для оценки влияния структуры композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции на его свойства необходимо использовать методику расчета напряжений, возникающих при испытании, приведенную в источниках [138;140].
Методика позволяет оценивать влияние структуры на прочностные показатели и прогнозировать физико-механические свойства композиционного материала.
Для определения основных видов напряжений и перемещений используется способ учета сдвиговых деформаций для многослойной анизотропной пластины, предложенный в работах [6;81;108].
Указанная модель применяется для объяснения вариантов перераспределения напряжений в образцах различной толщины (слоистости), как самого материала, так и клеевых слоев, возникающих вследствие больших градиентов напряжений в зонах поперечного сечения и жесткости слоев [7;134].
По данным исследований [140], в клееных слоистых материалах «слабым» местом является древесина, так как модуль сдвига древесины (G = (0,9 - 1,2) 103 МПа) имеет меньшее значение, чем модуль сдвига связующего (G = (1,2 - 1,3) 103 МПа). В данном композиционном материала «слабым»
местом являются внутренние слои, сформированные из древесных частиц и листы шпона с поперечным направлением волокон.
В результате анализа разрушения образцов при статистическом изгибе было отмечено, что оно происходит путем расслоения по слою древесных частиц и клеевому слою [17;95;115;116].
Для оценки влияния структуры композиционного материала на основе лущеного шпона и древесно-клеевой композиции на прочностные показатели при изгибе были проведены эксперименты, в результате которых было установлено, что разрушение образцов происходит как от нормальных (), так и от касательных напряжений (). Последние возникают в результате межслойного сдвига.
Типы разрушения, характерные для структур композиционного материала, представлены на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 Типы разрушения образцов при статическом изгибе:
а) разрушение наружных слоев от нормальных напряжений ();
в) разрушение материала от касательных напряжений()на границе двух слоев Анализ разрушения образцов композиционного материала показывает, что целостность образцов может быть нарушена в результате:
– разрушения наружных листов шпона в пакете от нормальных напряжений, которые превышают предельно допустимые значения;
– разрушения образцов на границе двух слоев (листа шпона и внутреннего слоя из древесно-клеевой композиции) от касательных напряжений;
– комплексного разрушения образцов от нормальных напряжений и межслойного сдвига вызванного касательными напряжениями (смешанный тип).
В результате испытаний композиционного материала при изгибе 11% образцов были разрушены от касательных напряжений по границе центрального листа шпона и слоев из древесных частиц, 21% образцов разрушился в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений (смешанный тип), основная часть образцов разрушились от действия нормальных напряжений, превысивших допустимые значения.
Разрушение в этом случае, как правило, происходит по листу шпона с поперечным направлением волокон по отношению к лицевому листу, что объясняется низкой прочностью древесины при растяжении поперек волокон.
Максимальной прочностью при изгибе обладает схема № 2 по причине использования взаимоперпендикулярных листов шпона в наружной части сечения в качестве армирования от действия нормальных напряжений и центрального листа шпона, позволяющего увеличить прочность при изгибе под действием касательных напряжений. Схема №1 упрочнена от нормальных напряжений растяжения и сжатия, но при этом возможно разрушение от касательных напряжений сдвига. Минимальной прочностью обладают образцы, изготовленные по структурам №3 и №4, не защищенные разрушения.
Разрушение наружных слоев материала от нормальных напряжений происходит из-за различия в деформации слоев шпона с продольным и поперечным направлением волокон и слоев из древесно-клеевой композиции.
Это объясняется низким модулем сдвига древесины при растяжении поперек волокон и низкой прочностью древесно-клеевой композиции при изгибе.
Превышение предельных значений касательных напряжений в центральной зоне материала, где расположен лист шпона, либо слой из древесно-клеевой композиции и одновременное превышение нормальных напряжений в наружных слоях приводит к разрушению смешанного типа.
композиционного материала способствует совершенствование технологии его формирования, повышение равномерности насыпки и уплотнения внутренних слоев.
3.3. Влияние холодного промежуточного послойного прессования Принципы сборки претерпели незначительные изменения с момента появления идеи склеивания древесного композиционного материала из лущеного шпона. При этом процесс склеивания путем сборки пакета имеет ряд недостатков:
1. Усушка шпона составляет 5-7 %, упрессовка шпона достигает 7-10% [121;123]. Данные потери является необратимыми и безвозвратными при существующем способе склеивания.
2. Ослабление кромок и отклонения от прямых углов образующиеся в результате смешения листов шпона при загрузке материала в горячий пресс.
3. Разнотолщинность материала, вызванная различной величиной упрессовки наружных и внутренних слоев. Образование такого дефекта происходит вследствие разницы температур наружных, контактирующих с нагретыми плитами пресса, слоев и внутренних с более низкой температурой и, следовательно, меньшей величиной упрессовки [105]. Высота пакета в результате подпрессовки уменьшается в 1,5-2 раза [121;123].
Особое внимание при сборке композиционного материала стоит обратить на соблюдение заданной структуры и симметричность [142].
Использование холодной послойной подпрессовки композиционного материала позволит частично устранить перечисленные выше недостатки.
Продолжительность холодной подпрессовки зависит от нескольких факторов: тип связующего, толщины и структуры материала [121]. Время холодного прессования составляет 5…10 минут [24;57].
Положительными факторами, характеризующими необходимость проведения холодной послойной подпрессовки являются: снижение количества дефектов при загрузке пакета в пресс, отсутствие смещения листов шпона относительно друг друга, увеличение эффективности работы горячего пресса за счет увеличения скорости доставки и загрузки пакетов, а так же возможности сохранять подпрессованные пакеты перед их подачей в пресс в случае необходимости в течение срока определяемого жизнеспособностью связующего [121;123].
При прессовании композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции с применением однократной холодной подпрессовки пакета перед горячим прессованием возникал ряд проблем, негативно отражающихся на прочностных характеристиках, в частности на пределе прочности при статическом изгибе.
Было выявлено, что разнотолщинность внутренних слоев из древесноклеевой композиции, значительное коробление и отклонение центрального листа шпона в пакете от нейтральной линии происходит по причине неравномерного уплотнения древесных частиц во внутренних слоях. Степень отклонения центрального листа шпона и разнотолщинность внутренних слоев можно снизить, используя современные и производительные модели прессов для холодного и горячего прессования с антиадгезионным покрытием плит, а так же организуя корректную работу основного технологического оборудования (используя равномерное усилие прижима плит пресса нормированной величины).
Введение в технологический процесс изготовления композиционного материала холодной промежуточной послойной подпрессовки позволили значительно снизить величины вышеперечисленных дефектов. По результатам экспериментальных исследований значимым оказалось влияние холодной послойной подпрессовки на наличие внутренних напряжений в структуре композиционного материала. Проведение данной операции после формирования каждого нового слоя из древесно-клеевой композиции позволяет добиться четкого расположения центрального листа шпона относительно нейтральной линии сечения без искривлений и отклонений, а так же снизить влияние дополнительных нормальных () напряжений, которые возникают совместно с касательными () и вызывают разрушение образцов при изгибе от нормальных напряжений и межслойного сдвига.
Характер влияния холодной послойной подпрессовки на снижение коробления и отклонения от нейтральной линии сечения центрального листа шпона в образцах, изготовленных по структурам композиционного материала №1 и №2, представлены на рисунке 3.8.
Рисунок 3.8. Характер влияния холодной послойной подпрессовки:
а) наличие отклонения от нейтральной линии сечения в структуре композиционного материала, изготовленного по структуре №1;
б) наличие искривлений центрального листа шпона в структуре композиционного материала, изготовленного по структуре №2;
в) отсутствие отклонения от нейтральной линии сечения в структуре композиционного материала, изготовленного по структуре №1;
г) отсутствие искривлений центрального листа шпона в структуре композиционного материала, изготовленного по структуре №2.
По результатам экспериментальных исследований суммарное время послойной холодной подпрессовки относительно однократной холодной подпрессовки всего пакета увеличилось на 1-3 секунды. При этом происходит улучшение качества и некоторое увеличение механических характеристик композиционного материала. Увеличение времени холодного послойного прессования пакета фанеры происходит по причине временных затрат (потерь) на рабочий и холостой ход гидравлического агрегата пресса.
Сокращения времени холодной послойной подпрессовки возможно при условии применения в технологическом процессе современных моделей прессов для холодной подпрессовки, где величина рабочего и холостого хода плит пресса по времени значительно ниже. Увеличение времени холодной послойной подпрессовки относительно однократной холодной подпрессовки пакета фанеры с внутренними слоями из древесно-клеевой композиции незначительно и не влечет за собой значимого увеличения времени выполнения технологических операций связанных с прессованием.
3.4. Оценка адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в Межфазное взаимодействие – перенос вещества из одной фазы в другую, включая массоперенос до и после границы раздела фаз и непосредственно межфазный переход [135]. Интенсивность межфазного взаимодействия играет важную роль в формировании прочностных свойств композиционного материала. С ростом межфазного взаимодействия увеличивается адгезионная прочность [87].
Возможность прогнозирования прочностных свойств композиционного материала, а также степени межфазного взаимодействия между листами шпона и внутренним заполнением является важной. Это позволяет регулировать структуру и рецептуру материала в зависимости от необходимых свойств и сфер применения [87].
Межфазное взаимодействие в композиционном материале на основе шпона и древесно-клеевой композиции включает разные фазы: жидкость (связующее) – твердое тело (древесные частицы); твердое тело (лущеный шпон) – жидкость (связующее).
Любая система адгезив (жидкость) – субстрат (твердое тело) характеризуется величиной адгезии и характером разрушения (типом нарушения связи между компонентами). Вопрос о характере разрушения имеет практическую значимость. Зная слабые места материала, можно искать пути повышения его работоспособности и долговечности [15;16;69].
Общепринятой является следующая классификация типов разрушений:
адгезионный (адгезив целиком отделяется от субстрата), когезионный (разрыв происходит по клеевому слою или подложке), смешанный (адгезионно-когезионный, при котором происходит частичное отделение адгезива (клеевого слоя) от субстрата (подложки) либо частичное разрушение субстрата и частичное разрушение адгезива) [42].
приходится преодолевать при равномерном отрыве, отнесенную к единице площади. Адгезионная прочность измеряется как удельная сила разрушения связи между адгезивом и субстратом. При использовании синтетического связующего важна механическая прочность его связи со склеиваемой поверхностью [15]. В соединениях на основе синтетических связующих в основном преобладает когезионный тип разрушения по древесине. В этих случаях прочность клеевого соединения определяется прочностью древесины при скалывании [4].
В работе оценено межфазное взаимодействие и адгезионная прочность композиционного материала в зависимости от его структуры. Известная стандартная методика определения прочности при растяжении перпендикулярно пласти (ГОСТ 10636-90) позволяет определить прочность и характер взаимодействия компонентов только в «слабой» центральной зоне материала и не позволяет определить прочность взаимосвязи шпона и эксплуатационных характеристик композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции с учетом его структуры содержащей центральный лист шпона предложена методика определения адгезионной прочности при отрыве листов шпона и методика определения межфазного лакокрасочных покрытий» по ГОСТ 27325-87 [42] и «Метод определения предела прочности при скалывании» по ГОСТ 9624-2009 [52]. Отличие предложенных методик от рекомендуемых стандартом заключается в способе подготовки материала к испытаниям, а их применение позволяет определять характер взаимодействия компонентов, тип разрушения и прочностные характеристики в зависимости от структуры материала.
Применение данных методик позволит определять тип разрушения и прочностные характеристики в зависимости от структуры материала, выявлять слабые места в структуре материала, прогнозировать механические свойства и пути их дальнейшего повышения, долговечность и области применения в зависимости от компонентов составляющих композиционный композиционного материала была определена экспериментально при равномерном отрыве наружных и центральных листов шпона. Внешний вид образцов после испытания по отрыву наружных листов шпона представлен на рисунках 3.9-3.10.
Рисунок 3.9. Характерное разрушение при отрыве наружных листов шпона Рисунок 3.10. Характерное разрушение при отрыве центрального листа шпона Результаты экспериментов по определению адгезионной прочности композиционного материала при отрыве листов шпона от внутренних слоев из древесно-клеевой композиции представлены в таблице 3.2.
№ структуры Полученные данные показывают, что при отрыве листов шпона наблюдается когезионный по древесно-клеевой композиции или смешанный характер разрушения, что свидетельствует о высокой адгезионной прочности соединения. Наибольшей прочностью при отрыве обладают образцы со структурой №2, №3 с наличием центрального листа шпона.
При отрыве наружных листов шпона для всех структур преобладал смешанный тип разрушения по внутреннему слою из древесно-клеевой композиции. При отрыве центрального листа шпона для структур №2 и № преобладал смешанный тип разрушения с разрывом по слою из древесноклеевой композиции и частичному вырыву волокон древесины из поверхности шпона. Высокая прочность материала при отрыве наружных листов шпона может быть результатом высокой адгезионной прочности Незначительная разница в адгезионной прочности по границам фаз в зависимости от их месторасположения может объясняться различием степени отверждения связующего по сечению материала. В процессе прессования температура центральных слоев материала имеет меньше значение, чем наружных. Следовательно, полнота отверждения клея во внутренних слоях немного меньше, чем в наружных слоях.
Изучение процессов и явлений межфазного взаимодействия на границе раздела фаз двух разных по своей природе материалов (древесины и клея) долговечность композиционного материала.
Характер межфазного взаимодействия клея со слоями из древесных частиц и листами шпона на границе их взаимодействия в зависимости от структуры материала определялся путем послойного скалывания по границе контакта наружного листа шпона и внутреннего слоя из древесно-клеевой композиции, а так же внутреннего слоя из древесно-клеевой композиции и скалывании в зависимости от структуры композиционного материала представлены на рисунках 3.11–3.14.
Рисунок 3.11 (а,б). Характерное разрушение образца. Структура №1а Рисунок 3.12 (а,б). Характерное разрушение образца. Структура №1б Рисунок 3.13 (а,б)э Характерное разрушение образца. Структура № Рисунок 3.14 (а,б). Характерное разрушение образца. Структура № Рисунок 3.15 (а,б). Характерное разрушение образца. Структура № На отдельных участках адгезив отделился от подложки, оставив на поверхности контакта незначительные следы. Причиной этому может служить неравномерность осмоления древесных частиц, повлекшая образование дефектов (неравномерная толщина, отсутствие сплошного слоя на поверхности) клеевого слоя на границе раздела фаз и ослабившая межфазное взаимодействие [87;134].
Результаты экспериментальных исследований по определению прочности композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции при скалывании представлены в таблице 3.3.
Таблица 3. Показатели прочности композиционного материала при скалывании схемы сборки При скалывании наружных листов шпона по структуре № 1б в 27% случаев наблюдался смешанный тип разрушения по границе раздела связующего и листов шпона с вырывом волокон из его поверхности. В остальных случаях имел место смешанный тип разрушения во внутреннем свидетельствует о высокой степени межфазного взаимодействия.
Высокая адгезионная прочность на границе раздела фаз (слоев шпона и древесно-клеевой композиции) объясняется наличием клеевой прослойки с повышенным содержанием клея – контактирует осмоленный лист шпона и осмоленные древесные частицы. Отсутствие адгезионного типа разрушения свидетельствует о высоких адгезионных свойствах выбранного связующего.
Существенное влияние на прочность и тип разрушения оказывают изменению адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз [137].
Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы:
«