Экспериментальные исследования получения плит из фрезерной стружки на лабораторном прессе и установление физико-механических характеристик Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 1 - 2, 2015

УДК 674.815

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛИТ ИЗ ФРЕЗЕРНОЙ СТРУЖКИ НА ЛАБОРАТОРНОМ ПРЕССЕ И УСТАНОВЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

П.С. Шастовский, С.П. Ереско, Ю.Д. Алашкевич

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, г. Красноярск, пр. Мира, д. 82, shastovsky@mail.ru

Исследовалось получение плит из древесных частиц в виде фрезерной стружки на лабораторном прессе, описаны способы установления физико-механических характеристик древесностружечных плит. Сделаны выводы о влиянии содержания в плитах, частиц полученных фрезерованием древесностружечных плит.

Ключевые слова: древесностружечные плиты, ДСтП, фрезерование, поверхностная обработка, шлифование, экология, безотходное производство, деревообработка.

Studied to obtain slabs of wood particles in the form of milling chips on a laboratory press, describes how to establish the physical and mechanical properties of particle boards. The conclusions about the impact of the content in the plates, the particles obtained by milling chipboard. In the course of research carried chipboard with different percentages of wood particles obtained by milling particleboard in the laboratory, the definition in the resulting slabs: density, tensile strength, flexural strength, and tensile strength perpendicular to the plank, resistivity pulling screws from the formation of swelling in thickness, humidity, and formaldehyde emission.

Keywords: chipboard, particleboard, milling, surface treatment, grinding, ecology, waste-free production, woodworking.

ВВЕДЕНИЕ

В процессе исследования, задачами являлось: производство древесностружечных плит с различным процентным содержанием древесных частиц полученных фрезерованием ДСтП в условиях лаборатории, определение в полученных плитах: плотности, предела прочности при статическом изгибе, предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти, удельного сопротивления выдергиванию шурупов из пласти, разбухания по толщине, влажности, выделения формальдегида.

Данные исследования проведены для установления и подтверждения возможности повторного использования стружки от фрезерования ДСтП, в производстве древесностружечных плит.

Исследования проводятся с целью получения математических моделей включения технологических отходов образующихся в процессе калибрования ДСтП винтовой фрезой с двумя степенями подвижности, позволяющих совершенствовать производство древесностружечных плит.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Начальным этапом исследования зависимости частных характеристик ДСтП от содержания возвратной стружки является подготовка образцов к эксперименту. Образцы ДСтП для экспериментов получены из смеси стружки хвойных и лиственных пород, взятой с технологического потока ЗАО «Красноярский ДОК» и отходов калибрования винтовой фрезой ДСтП данного комбината (ДСтП было снято с линии «Бизон» на участке подачи в шлифовально-калибро-

вочный станок). Пропорции содержания возвратных отходов варьировались от 0 до 100% в каждом из слоев трехслойных плит. В качестве связующего использовали смолу марки КФ-МТ-15. Рабочая концентрация связующего составляла 55%. Количество связующего (по сухому остатку) принималось из расчета 12% от массы абсолютно сухой стружки. В качестве отвердителя использовался хлористый аммоний в количестве 1% от массы смолы.

Трехслойные плиты получались путем плоского горячего прессования в лабораторном прессе типа ВП-9024-М при температуре плит пресса 170°С. Толщина готовой плиты составляла 15±1 мм, а длина и ширина 400^400 мм, соответственно. Плотность готовой древесностружечной плиты составляла 700 кг/м3. Удельная продолжительность прессования составляла 0,5 мин/мм толщины плиты. В конце прессования производилась выдержка без давления в течение 1 мин.

После прессования плиты кондиционировались в условиях лаборатории в течение 3 суток. Из полученных плит вырезались образцы стандартных размеров для проведения испытаний физико-механических свойств и определения эмиссии формальдегида методом WKI. Испытания прочностных показателей проводились на разрывной машине Р-5.

Данные экспериментов сравнивались с исследованиями контрольных образцов из плит, запрессованных по тем же режимам, но без введения возвратных отходов.

Возвратные отходы для экспериментальных ДСтП брались с калибровальной установки на основе винтовой фрезы 080 X 63, через которую пропускались ДСтП ЗАО «Красноярский ДОК».

Для получения трехслойных плит, древесные частицы (как стружка Красноярского ДОКа, так и отходы калибрования фрезерованием) рассеивались на сито анализаторе <^и-4» на основные фракции: 7/2 и 2/0 для внутреннего и наружных слоев соответственно.

Из полученных ДСтП подготавливали образцы согласно стандартов на эксперименты ГОСТ 1063378, ГОСТ 10634-88, ГОСТ 10635-88, ГОСТ 10636-90, ГОСТ 10637-78. Полученным образцам присвоили обозначения от 1 до 9 в соответствии с планом на эксперимент (рисунок 1.1)

Определение плотности образцов из каждой экспериментальной плиты проводили в соответствии с ГОСТами.

Провели измерение размеров образца. Длину (ширину) образцов измеряли в соответствии с ГОСТ 10633-78 в двух местах параллельно кромкам между двумя точками согласно рисунок 2. За длину (ширину) образца принимали среднее арифметическое значение результатов двух параллельных измерений. Толщину каждого образца измеряли с точностью 0,01 мм в точке пересечения его диагоналей на пласти образца. Образец взвешивали с погрешностью не более 0,1 %.

Рисунок 1 - Образцы экспериментальных плит

юо

11 Т-

Й]

I

а

50 25 «-»

1

©---£

+

Плотность образца (р) в килограммах на кубический метр вычисляли по формуле:

т

Р =

1Ък

где т - масса образца, кг;

I, Ь и h - соответственно длина, ширина и толщина образца, м.

Результаты округляли с точностью до целого числа.

Определение предела прочности при статическом изгибе проводили на 6 образцах взятых из каждой экспериментальной плиты в соответствии с ГОСТами.

Испытания производили следующим образом, образцы устанавливали в специальное приспособление и нагружали со скоростью 10 мм/мин. Затем снимали значение разрушающей нагрузки.

Предел прочности при статическом изгибе (а ), МПа, вычисляли по формуле:

ЪР1

2 Ъз1

Рисунок 2 - Измерение размеров образца для определения плотности

где Р - разрушающая нагрузка, Н

I - расстояние между опорами, мм; Ь, s - соответственно ширина и толщина образца, мм.

Результат округляли с точностью до первого десятичного знака.

Определение предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти проводили на 8 образцах, размером 50*50 мм, взятых из каждой экспериментальной плиты в соответствии с ГОСТами.

Предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти определяли посредством создания в образце растягивающих напряжений, действующих в направлении, перпендикулярном пласти плиты. Однородность напряженного состояния обеспечивалось за счет приложения нагрузки через металлические колодки, приклеенные к пластям образца.

Штангенциркулем измеряли длину и ширину образцов, наклеивали колодки, закрепляли в устройстве испытательной машины и производили нагружение со скоростью 10 мм/мин. Далее снимали величину разрушающей нагрузки, при этом не учитывали результаты испытаний, в которых разрушение произошло на расстоянии менее 1 мм от пласти образца.

Предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти (ар) вычисляли по формуле, МПа:

Р

где Р - разрушающая нагрузка, Н;

I, Ь - соответственно длина и ширина образца, мм.

Результат округляли с точностью до первого десятичного знака.

Определение удельного сопротивления выдергиванию шурупов из пласти проводили на 4 образцах, размером 50*50 мм, взятых из каждой экспериментальной плиты в соответствии с ГОСТами.

Для определения удельного сопротивления выдергиванию шурупов, в центре грани образца - в

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 1 - 2, 2015

точке пересечения диагоналей сверлили сквозное отверстие диаметром 2 мм. В просверленное отверстие завинчивали шуруп 4*40 мм таким образом, чтобы резьба на (3±1) мм выступала с обратной стороны образца.

Испытательный блок устанавливали в захват приспособления на испытательной машине так, чтобы ось шурупа совпадала с осью приспособления. Выдергивание шурупов производили в направлении их оси со скоростью перемещения подвижного захвата испытательной машины 10 мм/мин.

Удельное сопротивление выдергиванию шурупов (а ) в Н/мм вычисляли по формуле:

Р

(Г = —,

вш I

где Р - разрушающая нагрузка, Н;

I - длина несущей резьбовой части шурупа, мм.

Результат округляли с точностью до первого десятичного знака.

Определение разбухания по толщине проводили на образцах, взятых из каждой экспериментальной плиты в соответствии с ГОСТами.

Для определения разбухания в воде по толщине, образцы взвешивали не позднее, чем через 0,5 ч после кондиционирования. Толщину каждого образца измеряли с точностью 0,01 мм в точке пересечения его диагоналей на пласти образца. Образцы погружали в сосуд с дистиллированной водой с рН 7 ± 1 при температуре 20 ± 1 °С, при этом они располагались в вертикальном положении, не соприкасались друг с другом, а также с дном и боковыми стенками сосуда. Образцы удерживались на 25 ± 5 мм ниже уровня поверхности воды. Время выдержки образцов в воде составляло 24 часа. После выдержки образцы извлекали из воды, осушали поверхность образцов от капель воды фильтровальной бумагой. Толщину повторно измеряли не позднее чем через 10 мин после извлечения образцов из воды с точностью 0,01 мм. Разбухание в воде по толщине образца в процентах вычисляли по формуле:

¿1

где - толщина образца до погружения в воду, мм; t2 - толщина образца после извлечения из воды, мм.

Результат округляли с точностью до первого десятичного знака.

Определение влажности проводили на 4 образцах, размером 50*50 мм, взятых из каждой экспериментальной плиты в соответствии с ГОСТами.

Для определения влажности использовали «су-шильно-весовой» метод. Образцы плиты взвешивали с точностью до 0,01 г и помещали в сушильный шкаф, где высушивали до постоянной массы при температуре от 101 до 105 °С. После высушивания проводили повторное взвешивание.

Влажность образца (Ш) в процентах вычисляли по формуле:

т0

где т0 - масса образца, высушенного до постоянной массы, г;

т1 - масса образца до высушивания, г.

Результат округляли с точностью до первого десятичного знака.

Определение содержания свободного формальдегида проводили методом WKI на 14 образцах, размером 25*25 мм, взятых из каждой экспериментальной плиты в соответствии с ГОСТами.

Для определения содержания свободного формальдегида образцы взвешивались парами, соединялись пласть к пласти и подвешивались к крышке стеклянной банки над поверхностью воды (50 мл). Банки с образцами помещали в термошкаф с температурой 40 ± 1 °С на 24 часа. Достав банки, охлаждали в течение 30 минут в воде, после чего отбирали пробы по 10 мл.

Пробы помещали в колбы с пришлифованными пробками, приливали 15 мл 0,1Н раствора йода, добавляли 2 мл 1Н раствора едкого натра (раствор окрашивался в бледно-желтый цвет) и помещали в темное место на 15 минут. Достав колбы и прилив 1 мл раствора серной кислоты (раствор темнеет), титровали 0,01 Н раствором тиосульфата натрия до изменения окраски на светло-желтую. Добавив несколько капель раствора крахмала, продолжали титровать до бледно-синей окраски, титрование заканчивали, когда добавление последней капли полностью обесцвечивало раствор.

Количество формальдегида (X), в мг/100г плиты, вычисляли по формуле:

X =

0,75(а - Ь) х (100 + Ш)

где а - количество 0,01Н раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование избытка йода, мл;

Ь - количество 0,01Н раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование контрольного опыта, мл;

т - масса пробы плиты до испытания, г;

Ш - влажность пробы плиты. Результат округляли с точностью до первого десятичного знака.

За результаты испытаний плиты принимали среднее арифметическое значение результатов испытаний всех образцов, отобранных из данной плиты, с округлением соответственно по пп. 2 -8.

Анализ, приведенный в предыдущей главе, показывает, что поиск путей снижения сырья и связующего в производстве ДСтП нужно искать во включении обратных отходов в производственный процесс. Для этого был проведен двухфакторный эксперимент на трех уровнях варьирования в производстве трехслойных плит с включением возвратных отходов, как во внутренний, так и в наружные слои. Содержание возвратной стружки варьировалось от 0 до 100% во внутреннем слое и отдельно изменялось содержание возвратной стружки от 0 до 100% в наружных слоях. В

т

результате испытания экспериментальных образцов были получены основные параметры древесностружечных плит:

- предел прочности при статическом изгибе, у1;

- предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти, у2;

- удельное сопротивление выдергиванию шурупов из пласти, у

- разбухание по толщине, у4;

- влажность, у5;

- содержание свободного формальдегида, у6;

Зависимость частных характеристик ДСтП от содержания возвратной стружки с варьированием от 0 до 100% (соответственно в долях от 0 до 1) как во внутреннем слое, так и в наружных, представлена в виде математических моделей и их поверхностей отклика. Результаты опытов мы обрабатывали при помощи пакета StatGraphics Plus v5.1. Искомый параметр мы обозначили за у, а содержание возвратной стружки в наружных и внутреннем слое за х1 и х2 соответственно; где:

- наличие 100% возвратной стружки и 0% стандартной принимается за х = +1,

- содержание 50% возвратной стружки и 50% стандартной принимается за х = 0,

- содержание 0% возвратной стружки и 100% стандартной принимается за х . = -1.

Далее производим обработку экспериментальных данных средствами пакета Statgraphics. Последовательность операций и команд записывались на английском языке. Предварительно составили таблицу эксперимента, план 32 имеющий 9 точек. Предварительно проверились все выходные данные на анормальность по ГОСТ 11.002-73 «Прикладная статистика. Правила оценки анормальности результатов наблюдений».

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Лучшими значениями для физико-механических показателей древесностружечных плит следует принимались значения с полуторократным запасом относительно рекомендуемых норм для плит марок П-А по ГОСТ 10632-2007. Анализируя все 6 показателей можно сказать, что добавление в композицию плит ДСтП от 0 до 20 % возвратных отходов от калибрования или форматной обрезки, существенно не влияют на физико-механические показатели, а такие как разбухание по толщине даже улучшают.

Плита ДСтП лабораторного изготовления внутренний слой которой содержит максимальный % возвратных отходов (30%) для исследования на формальдегид и прочностные показатели. Плита № 6, плотность которой составляет 711 кг/м3, прошла испытание на содержание вредных соединений.

После обработки экспериментальных данных образцы ДСтП, обработанные винтовой фрезой со сложным движением, были направлены в аккредитованную испытательную лабораторию ЗАО «Красноярский ДОК» и подверглись испытаниям на

соответствие ГОСТу 10635-88 «ПЛИТЫ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫЕ. Методы определения предела прочности и модуля упругости при изгибе» и соответствие ГОСТу 10636-90 «ПЛИТЫ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫЕ. Метод определения предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти плиты».

Оптимизация процесса, проведенная по параметру «Х3» (скорости подачи заготовки показала) для важнейшего фактора «у1» (шероховатость обработанной поверхности по Rm), методом «крутого восхождения». Выведены оптимальные режимы для «у1»< 500мкм.

Исследованием установлено, что способ калибрования ДСтП винтовой фрезой с двумя степенями подвижности, является менее энергозатратным по сравнению с тем же видом обработки ДСтП шлифовальными лентами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов исследования сделаны выводы, что:

- геометрические параметры и фракционный состав древесных частиц (стружки), полученных фрезерованием древесных композиционных плит, позволяют повторного использовать в производстве плит в качестве наполнителя;

- процентное соотношение фракционного состава древесных частиц, возможно, регулировать изменением количества зубьев калибровально-фрезерующе-го инструмента для формирования внешних и внутреннего слоя древесностружечных плит;

- присутствующая полимеризованная смола на древесных частицах (стружке), закупоривает поры древесины, чем исключает адсорбцию и диффузию связующего со стружкой при осмолении, что позволит при рациональном осмолении снизить расход связующего и обеспечить прочное клеевое соединение за счет температуры и давления;

Поставленная цель была достигнута, и задачи исследования полностью решены. Выводы по данному исследованию позволяют провести экспериментальные исследования получения плит из фрезерной стружки на лабораторном прессе и установление их физико-механических характеристик, а так же разработать опытно-лабораторную установку с заданным законом движения режущего узла обеспечивающей поверхностную обработку плиты по ширине и длине при производстве древесностружечных плит.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ермолович, А.Г. Выбор инструмента для обработки по-

верхности листовых материалов на основе древесины для снижения разнотолщинности и шероховатости [Текст]: / А.Г Ермолович, П.С. Шастовский, В.В. Рома-шенко, Хвойные бореальной зоны. 2008. Т. XXV. № 3-4. С. 351-352.

2. Цаплин, П. В. Снижение шероховатости поверхности древесных композиционных плит / П. В. Цаплин,

Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 1 - 2, 2015

А. Г. Ермолович // Красноярск.: Вестник КрасГАУ, 2013г. № 5 - с. 228 - 232

3. Ермолович, А. Г Ресурсосберегающая технология полу-

чения древесных плит низкой токсичности / А. Г. Ермолович, П. С. Шастовский // Красноярск.: Вестник Крас ГАУ, 2011г. № 10 - с. 189 - 190

4. Завражнов, А. М. Пути исследования отходов в производ-

стве плит /Плиты и фанера: Экспресс информация - № 8.Внипиэилеспром, 1981г. - 13с.

5. Пижурин, А. А. Розенблит, М. С. Исследования про-

цессов деревообработки. М.: Лесная пром-сть, 1984. - 232 с.

6. Пижурин, А. А. Основы научных исследований в дере-

вообработке. М.: Изд-во Московского гос. ун-та леса, 2005. - 304 с.

7. Петрова, О. В., Рапопорт, А. М. Использование отходов

деревообработки за рубежом. Обзорная информация. Серия V. М: ЦНИИТЭИМС, 1975. - 24 с.

Поступила в редакцию 28.10.14 Принята к печати 20.12.14