«ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ШПОНА И ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ ...»

Наиболее перспективными являются структуры пакета №1 и №2, их прочностные показатели имеют достаточную величину. При адгезионном композиционного материала в основном наблюдается смешанный тип разрушения по древесно-клеевой композиции независимо от структуры.

3.5. Оценка физико-механических характеристик композиционного Результаты экспериментов композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции анализировали и сравнивали с параметрами физико-механических характеристик классических древесностружечных плит (ДСтП), фанеры общего назначения (ФК) и плит из ориентированной стружки (OSB).

Расслоение материала в результате интенсивного выхода парогазовой смеси является значимым негативным фактором при горячем склеивании.

Чем выше температура склеивания в прессе, тем выше давление [20;141].

Предполагаемые сложности с отводом парогазовой смеси из внутренних слоев материала в виду наличия наружных листов шпона оказались незначимы, о чем свидетельствуют показатели прочности образцов при отрыве перпендикулярно пласти соответствующие требованиям нормативов.

характеристики композиционного материала на основе шпона и древесноклеевой композиции, изготовленного по рациональным структурам, представлены в таблице 3.4.

композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции в сравнении с показателями фанеры общего назначения [46], древесностружечных плит [31] и плит из ориентированной стружки представлены в таблице 3.5.

Таблица 3. Сравнительные свойства композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции Таблица 3. Сравнительный анализ физико-механических характеристик композиционных материалов Разбухание по толщине после 24 часов вымачивания в воде, % Графическая оценка физико-механических свойств композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции, изготовленного по рациональным структурам, представлена на рисунках 3.16–3.19.

Рисунок 3.16. Предел прочности при изгибе в зависимости от структуры Рисунок 3.17. Предел прочности при отрыве перпендикулярно Рисунок 3.18. Разбухание о толщине зависимости от структуры Рисунок 3.19. Водопоглощение в зависимости от структуры Примечание: Пунктиром (- - - -) отмечены нормированные показатели предела прочности при изгибе для фанеры общего назначения по ГОСТ 3916.1-96, предела прочности при отрыве перпендикулярно пласти по ГОСТ 10636-90, средние значения физических показателей для фанеры общего назначения.

По результатам исследования было установлено: композиционный материал на основе шпона и древесно-клеевой композиции обладает высокими физико-механическими показателями, превосходящими сопоставимыми с фанеры общего назначения. Прочность при отрыве перпендикулярно пласти превышает нормативный показатель для OSB на нормативный показатель для фанеры ФК на 63%, для ДСтП на 70%, для OSB-2 на 56%. Высокие механические характеристики объясняются использованием особой структуры материала и применением рациональных режимов склеивания. Разбухание по толщине сопоставимо с нормативными показателями для фанеры ФК и ДСтП, превышает показатели для OSB-2 на 23%.

водоотталкивающей добавки (парафиновой эмульсии) во внутренних слоях из древесно-клеевой композиции.

структуре №1 и №2, что объясняется наличием в наружных слоях взаимно перпендикулярных слоев лущеного шпона. Применение этих структур позволяют получать материал с относительно небольшим разбуханием и водопоглощением. Образец, изготовленный по структуре №1, обладает технологической простотой производства, так как минимизируется число намазанных клеем пластей шпона и количество проходов при насыпке наполнителя для формирования внутреннего слоя. Областью применения такого материала, необходимо считать мебельную промышленность (производство конструкционных элементов), строительство (обшивка, опалубка и др.). Образец, изготовленный по структуре №2, подлежит использованию в конструкциях, подвергающихся значительным нагрузкам (особенно при статическом изгибе) при сложных схемах их приложения, с учетом совместного воздействия механических, эксплуатационных и климатических факторов. Областью применения такого материала является мебельная промышленность (производство силовых конструкционных элементов), строительство (опалубка, балки, рамные конструкции и др.).

Структуры №3 и №4 обладают меньшими показателями прочности и уступают по физическим показателям структурам №1 и №2. Показатели разбухания и водопоглощения этих образцов достаточно высоки, поэтому необходимо отыскать возможность их снижения путем дополнительного введения веществ для придания гидрофобных свойств. Эксплуатация этих ограничивает область их применения.

Исходя из вышесказанного, наиболее перспективными считаем структуры материала №1 и №2.

3.6 Оценка огнезащищенности композиционного материала Оценка огнезащищенности композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции проводилась с целью определения его горючести и соответствия требованиям нормативов [45].

Образцы материала дополнительно не пропитывались веществами, повышающими огнеупорные свойства древесины.

Результаты определения (средние арифметические значения) потери массы образцов композиционного материала на основе шпона и древесноклеевой композиции представлены в таблице 3.6.

Таблица 3. Результаты потери массы при определении огнезащищенности Наименование Процесс горения образца замедлялся при обугливании поверхности.

Потеря массы образцов в результате испытаний составила 15-20%.

Композиционный материал на основе шпона и древесно-клеевой композиции относятся к группе трудногорючих, так как выполняется условие m < 50%.

3.7. Оценка экологических показателей композиционного материала Содержание формальдегида в образцах композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции определяли перфораторным методом по ГОСТ 27678 [43]. Содержание формальдегида составило 6,87 мг на 100 г сухого материала. По нормам российских стандартов данное значение соответствует классу эмиссии формальдегида Е1.

3.8. Обработка многофакторного экспериментального плана 3.8.1. Выбор постоянных и переменных факторов изготовленных на основе древесных частиц, оказывают влияние множество факторов. Данные ряда исследований по влиянию технологических факторов на свойства древесных композиционных материалов были приняты в качестве основы для выбора интервала варьирования плотности материала и количества добавляемого связующего.

При увеличении плотности материала из древесных частиц от 500 до 1000 происходит практически пропорциональное увеличение прочностных показателей [66]. Однако повышение физико-механических показателей путм увеличения их плотности чаще всего не рационально, поскольку увеличивается расход связующего и древесного сырья, увеличивается масса готового изделия и, следовательно, возрастает себестоимость готовой продукции. Высокие эксплуатационные показатели материала достигаются при плотности от 600 до 800 кг/м 3, которая считается оптимальной. Поэтому значение плотности внутреннего слоя из древесных частиц приняли 700 кг/м3 с интервалом варьирования ± 100 кг/м3.

Увеличение расхода связующего положительно сказывается на физикомеханических показателях [5;15], но приводит к повышению доли свободного формальдегида в готовом материале, что недопустимо в целях сохранения экологической безопасности. Высокая стоимость связующего является еще одним фактором, ограничивающим увеличение расхода. В ходе эксперимента изготавливали внутренние слои материала наподобие однослойных древесностружечных плит, поэтому основной уровень фактора расхода связующего приняли 12% с интервалом варьирования ± 4%.

Априорные данные и анализ результатов отсеивающих экспериментов показали, что на физико-механические показатели композиционного материала наибольшее влияние оказывают следующие факторы:

– плотность плиты, ;

– расход связующего, Рсв;

– количество парафиновой эмульсии для повышения гидрофобных свойств, Данные факторы приняты в качестве переменных при планировании и реализации В-плана второго порядка. Для склеивания экспериментальных образцов применяли клеи на основе карбамидоформальдегидных смол марки КФ-Н-66П и КФ-Н-54П и кислотного отвердителя (раствора хлористого аммония) [41]. Для придания материалу гидрофобных свойств во внутренние слои вводили парафиновую эмульсию «Эрговакс-60».

Изготовление образцов проводили при следующих постоянных факторах:

– толщина плиты 12 мм;

– температура прессования 150С;

– давление прессования 2 МПа;

– время выдержки под давлением – 30 секунд на 1 мм толщины пакета;

– время плавного снижения давления – 1 минута.

Уровни варьирования переменных факторов представлены в таблице 3.7.

Таблица 3. Переменные факторы и уровни их варьирования Количество парафиновой эмульсии, % прочности при отрыве перпендикулярно пласти, разбухание по толщине, водопоглощение, объмное разбухание, прочность при выдергивании шурупов из кромки и пласти. Отбор образцов и проведение испытаний композиционного материала был составлен полный факторный план, который затем был дополнен опытами в “звездных точках” для построения В-плана второго порядка. Необходимый объем выборки для получения предварительно проведенных экспериментов, количество дублированных опытов для выходных величин составило 5 [2;21;103].

Матрица планирования эксперимента с выходными величинами представлена в таблицах 3.8 и 3.9.

Таблица 3. Таблица 3. В кодированном обозначении В натуральном обозначении В результате определения выходных величин в выборке встречались грубые наблюдения или промахи. Для их обнаружения и исключения применяли специальную процедуру, которая производится следующим образом.

элементов принимаем максимальное и минимальное значение выходной величины. Для сомнительных элементов определяем расчтные значения выполнялось неравенство tP > tT, то такой элемент признавался грубой ошибкой и подлежал исключению из выборки.

где tP – расчетное значение критерия Стьюдента;

Yj – среднее арифметическое j-той серии дублированных опытов, рассчитанное без участия сомнительных элементов;

YjR – значение сомнительного элемента (максимального и минимального);

Sj – стандартное отклонение j-той серии дублированных опытов, рассчитанное без участия сомнительных элементов.

где, ni – количество дублированных опытов без сомнительных элементов.

Табличное значение критерия Стьюдента выбираем в зависимости от числа степеней свободы n=5 и уровня значимости q=0,05 [103].

квадратические отклонения и исключены грубые ошибки.

Результаты реализации всех опытов должны принадлежать одной генеральной совокупности значений выходного параметра. Одной из характеристик генеральной совокупности является дисперсия.

Дисперсия j-ой серии дублированных опытов определяли по формуле:

где Yj – среднеарифметическое j-ой серии дублированных опытов n – количество дублированных опытов Yje – значение выходной величины j-ой серии дублированных опытов Дисперсии найдены по выборкам равного объема, поэтому проверку однородности дисперсий производят по критерию Кохрена.

Расчетное значение критерия Кохрена вычисляют по формуле Smax – максимальная из дисперсий где, Затем при уровне значимости q = 0,05, числе выборок m=14 и числе степеней свободы f = n-1=4 отыскивают табличное значение критерия Кохрена – Gтабл. Гипотеза об однородности дисперсий принимается, если Gрасч Gтабл.

дисперсий опытов представлены в таблицах 3.10 и 3.11.

Таблица 3. Среднеквадратические отклонения и дисперсии опытов Предел прочности Предел прочности Разбухания по опыта Таблица 3. Среднеквадратические отклонения и дисперсии опытов опыта По результатам расчетов было определено, что дисперсии всех опытов являются однородными, а результаты реализации всех опытов принадлежат одной генеральной совокупности значений выходного параметра.

3.8.5 Расчет коэффициентов уравнения регрессии Коэффициенты уравнения регрессии для В-планов второго порядка рассчитали по формулам:

где b0 - свободный член;

bi - линейные коэффициенты регрессии, i=1,2, …, k;

bii - квадратичные коэффициенты регрессии;

biu- коэффициенты при парных взаимодействиях, i u;

Ti - постоянные коэффициенты.

Для трехфакторного В-плана постоянные коэффициенты соответственно составили:

T1 = 0,40624, Т2 = 0,15624, T3 = 0,1, T4 = 0,5, Т5 = -,009375, Т6 = 0,125.

В результате математической обработки получены следующие уравнения регрессии в кодированном обозначении факторов:

а) выходная величина – предел прочности при изгибе:

Y1 = 46,883 +3,8 X1+7,3 X2-1,5 X3+1,132 X12+0,632 X22-1,368 X32- X1X2X1X3-0,25 X2X3;

б) выходная величина – предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти:

Y2 = 0,273 + 0,022 X1+0,046 X2-0,011 X3+0,00191 X12+0,00191 X22-0,0131 X32X1X2-0,00375 X1X3+0,00125 X2X3;

в) выходная величина – разбухание по толщине:

Y3 = 11,47 + 0,55 X1-1,26 X2-2,3 X3-0,09 X12+0,83 X22+1,83 X32+0,05 X1X2+ +0,11 X1X3+0,28 X2X3;

г) выходная величина – водопоглощение:

Y4 = 41,22+2,26X1-4,15 X2-8,51X3+1,19X12+3,44 X22+5,41X32+0,16X1X2+ +0,08 X1X3+2,42 X2X3;

д) выходная величина – объмное разбухание:

Y5 = 12,19 + 0,58 X1-1,32 X2-2,46 X3-0,19 X12-1,01 X22-1,91 X32-0,03 X1X2+ +0,07 X1X3+0,28 X2X3;

е) выходная величина – предел прочности при выдргивании шурупа из кромки:

Y6 = 54,634 + 2,9 X1+1,9 X2+0,5 X3-0,118 X12-0,118 X22-0,118 X32+0,25 X1X2+ +X1X3+0,5 X2X3;

ж) выходная величина – предел прочности при выдргивании шурупа из пласти:

Y7 = 92,702 + 5,5 X1+2,7 X2-1,4 X3+0,326 X12+0,326 X22-0,17 X32X1X2+0,125 X1X3-0,125 X2X3.

3.8.6. Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии Коэффициенты уравнения регрессии являются незначимыми, если выполняется следующее неравенство:

где tтабл – табличное значение критерия Стьюдента.

S{bi} – среднеквадратическое отклонение i-го коэффициента уравнения регрессии.

где S2{bi} – дисперсия i-го коэффициента уравнения регрессии.

Дисперсия коэффициентов уравнения регрессии определяется по формулам:

где, S2{y} – дисперсия воспроизводимости.

После отбрасывания незначимых коэффициентов уравнения регрессии приняли следующий вид:

а) выходная величина – предел прочности при изгибе:

Y1 = 46,883+3,8 X1+7,3 X2-1,5 X3+1,132 X12 -1,368 X32- X1X2;

б) выходная величина – предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти:

Y1 = 0,273 + 0,022 X1+0,046 X2;

в) выходная величина – разбухание по толщине:

Y3 = 11,47 -1,26 X2-2,3 X3 +1,83 X32;

г) выходная величина – водопоглощение:

Y4 = 41,22+2,26 X1-4,15 X2-8,51 X3+1,19 X12+3,44 X22+5,41 X32+2,42 Х2Х3;

д) выходная величина – объмное разбухание:

Y5 = 12,19 + 0,58 X1-1,32 X2-2,46 X3 -1,01 X22-1,91 X32;

е) выходная величина – предел прочности при выдргивании из кромки:

Y6 = 54,634 + 2,9 X1+1,9 X2+0,5 X3;

ж) выходная величина – предел прочности при выдргивании из пласти:

Y7 = 92,702 + 5,5 X1+2,7 X2-1,4 X3.

3.8.7. Проверка адекватности математических моделей Уравнение регрессии адекватно описывает модель, при условии выполнения следующего неравенства:

где Fрасч и Fтабл – расчетное и табличное значение критерия Фишера.

где S2ад- дисперсия адекватности.

где fад – число степеней свободы дисперсии адекватности.

где N – число опытов;

p – число значимых коэффициентов уравнения регрессии.

где n – число дублированных опытов;

Y j – среднее значение выходной величины в j-ом опыте;

Y j – значение выходной величины, рассчитанное по уравнению регрессии для j-го опыта.

Экспериментальные и расчетные значения представлены в таблице 3.12.

Результаты проверки адекватности моделей представлены в таблице 3.13.

Таблица 3. Экспериментальные и расчетные значения выходных величин Продолжение табл. 3. Экспериментальные и расчетные значения выходных величин опыта Таблица 3. Проверка адекватности математической модели Дисперсия адекватности, S2ад 0,00025 1,18673 2,5755 2, Дисперсия воспроизводимости, S2y 0,0145 3,97686 4,34821 3, Расчетное значение критерия Табличное значение критерия Фишера Продолжение таблицы 3. Проверка адекватности математической модели Дисперсия адекватности, S2ад 2,234473 3,353838 1, Дисперсия воспроизводимости, Расчетное значение критерия Табличное значение критерия 3.8.8. Проверка эффективности математической модели Математическая модель считается эффективной, если соблюдается следующее соотношение:

где Fu – информационный критерий Фишера.

S c2 – дисперсия среднего арифметического по всем опытам;

где S ост – остаточная дисперсия.

Проверка эффективности (информационной ценности) математической модели представлена в таблице 3.14.

Таблица 3. Проверка эффективности математической модели Дисперсия относительно значения, SC Остаточная дисперсии, SОСТ Коэффициент ценности, Fи Продолжение таблицы 3. Проверка эффективности математической модели Дисперсия относительно среднего значения, SC Остаточная дисперсии, SОСТ Коэффициент информационной ценности, Fи 3.8.9. Перевод уравнений регрессии из кодированных обозначений Для перевода математических моделей из кодированных обозначений факторов в натуральные, использовали формулы перевода:

где Xi – кодированное обозначение i-го фактора;

xi – натуральное обозначение i-го фактора;

XiO – основной уровень i-го фактора;

.i – интервал варьирования i-го фактора.

производится при следующих выражениях кодированных факторов:

В результате математических преобразований уравнения регрессии в натуральных обозначениях приняли вид:

а) выходная величина – предел прочности при изгибе:

Y1 = -193,89+1,132*10-4*2-0,09 -5,544Рпар2-( Рсв/400)+2,544Рпар+3,575Рсв;

б) выходная величина – предел прочности при отрыве перпендикулярно пласти:

Y2 = 2,438+0,00022 +0,0115;

в) выходная величина – разбухание по толщине:

Y3 = 19,38-0,315 Рсв+7,32 Рпар2-71,92 Рпар;

г) выходная величина – водопоглощение:

Y4 = 97,129+0,0226 -1,19*10-4* 2-12,2475Рсв+0,215Рсв2+21,41Рпар2Рпар+12,1Рсв*Рпар;

д) выходная величина – объмное разбухание:

Y5 = 24,712+0,063Рсв2-7,64Рпар2-1,182Рсв+0,58*10-2 -2,72Рпар;

е) выходная величина – предел прочности при выдргивании шурупа из кромки:

Y6 = 0,029 +0,475Рсв+Рпар+28,134;

ж) выходная величина – предел прочности при выдргивании шурупа из пласти:

Y7 = 47,502+0,055 +0,675Рсв-2,8Рпар 3.8.10. Основные графические зависимости Построение графических зависимостей выходных величин от значений переменных факторов в виде линейных кривых было произведено с помощью системы компьютерной алгебры Mathcad 15.

В качестве аргументов функции (Х1, Х2, Х3) приняты переменные факторы (плотность плиты, расход связующего, количество парафиновой эмульсии), при условии что один из них имеет фиксированное значение. В качестве функции принято значение выходной величины (предел прочности при статическом изгибе, разбухание по толщине, водопоглощение, предел прочности при выдергивании шурупов из кромки).

Графические зависимости влияния переменных факторов на физикомеханические показатели композиционного материала на освное шпона и древесно-клеевой композиции представлены на рисунках 3.20–3.25.

выдергивании шурупов Предел прочности при из кромки, МПа Рисунок 3.20. Графические зависимости механических характеристик Разбухание по толщине, % Количество связующего,% Рисунок 3.21. Графические зависимости физических показателей Рисунок 3.22. Графические зависимости механических характеристик от количества связующего во внутренних слоях:

а) предел прочности при статическом изгибе;

б) предел прочности при выдергивании шурупов из кромки.

Рисунок 3.23. Графические зависимости физических показателей от количества связующего во внутренних слоях:

выдергивании шурупов Предел прочности при из кромки, МПа Рисунок 3.24. Графические зависимости механических характеристик от количества парафиновой эмульсии во внутренних слоях:

Разбухание по толщине, % Рисунок 3.25. Графические зависимости физических показателей 3.8.11. Определение рациональных режимов производства композиционного материала на основе шпона и древесно-клеевой композиции была произведена обработка полученных математических моделей методом наименьших квадратов c использованием пакета программ Microsoft Office Excel (Поиск решения). При условии минимизации физических характеристик (разбухания и водопоглощения) и максимизации механических характеристик (предела прочности на статический изгиб и предела прочности при отрыве перпендикулярно пласти).

Целевые функции:

Ограничения: