CC BY
36
7/)П11 ВЕСТНИК
J/20!j_мгсу
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНОГО ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ
RESEARCH OF OPERATIONAL PROPERTIES OF WOOD COMPOSITE MATERIALS WITH USE OF SECONDARY WOOD
RAW MATERIALS
A.A. Титунин, Т.Н. Вахнина
A.A.Titunin, T.N.Vahnina
ФГБОУ ВПО КГТУ
Представлены результаты экспериментального обоснования состава и основных технологических режимов производства древесных плит, являющихся аналогом зарубежных плит Europly.
The results of an experimental substantiation of structure and the basic technological modes of manufacture of wood particle boards which are analog of foreign particle boards Europly are presented.
Особенностью современного состояния сырьевой базы деревообрабатывающих предприятий, как основного поставщика материалов для деревянного домостроения, является существенное снижение запасов качественной древесины в промышленно освоенных районах. При этом одновременно возрастает доля древесины низкого качества с невысокими потребительскими свойствами, что приводит, в свою очередь, к увеличению объемов отходов при переработке такого древесного сырья. Одним из направлений использования огромного потенциала вторичного древесного сырья в виде отходов деревообрабатывающих предприятий является производство древесных композиционных материалов, которые традиционно применяются в строительстве.
Сравнительно недавно на рынке строительных материалов появился новый древесный композиционный материал (плиты) из специально резаной крупной стружки (Eurostrips). Такие плиты получили фирменное название Europly и являются логическим развитием идеи производства плит из ориентированной стружки - OSB [1; 2]. Благодаря превосходству над плитами OSB по ряду показателей физических и механических свойств эти древесные композиты стали широко применяться в зарубежной практике строительства экологически безопасного жилья [3].
Предварительное изучение технологии производства плит Europly позволило выдвинуть гипотезу о возможности замены специальной резаной стружки Eurostrips на форматированные древесные частицы, получаемые из отходов фанерного производства - шпона-рванины. Для проверки этой гипотезы, а также обоснования рациональных технологических параметров производства конкурентоспособных древесных композитов в Костромском государственном технологическом университет были прове-
дены экспериментальные исследования. Для исследований были изготовлены образцы композиционного плитного материала, в наружных слоях которого использовалась специальная крупномерная стружка из шпона-рванины. Внешний вид образцов нового вида древесных композитов с наружными слоями из частиц типа Eurostrips представлен на рис. 1.
Рис. 1. Образец нового вида древесного композиционного материала с наружными слоями из частиц типа Eurostrips: а - общий вид; б - вид на кромку
Для определения рационального состава и режимов производства плит был выбран В-план второго порядка. Диапазоны варьирования факторов представлены в табл. 1, план
эксперимента в кодированных обозначениях факторов и результаты опытов - в табл. 2.
Таблица 1
_Диапазоны варьирования технологических факторов_
Варьируемые факторы Натуральное обозначение Кодированное обозначение с Уровни жкторов
-1 0 +1
Норма расхода связующего в наружных слоях, % Я Х1 4 6 8
Температура прессования, °С Т Х2 170 185 200
Удельная продолжительность прессования, мин/мм t Хз 0,2 0,3 0,4
Таблица 2
План в кодированных обозначениях факторов и результаты эксперимента
N Х1 Х2 Хз Среднее арифметическое, У} Дисперсия опыта, Б/
Разбухание, % Прочность, МПа Разбухание, % Прочность, МПа
1 + + + 9,96 40,41 4,71 15,35
2 - + + 16,96 33,84 4,79 8,47
3 + - + 15,78 31,26 16,72 11,63
7/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
4 - - + 20,54 28,56 10,76 2,16
5 + + - 15,60 31,99 14,82 3,20
6 - + - 26,60 11,58 8,17 0,61
7 + - - 15,90 26,95 17,38 2,28
8 - - - 26,94 19,54 8,52 21,44
9 + 0 0 12,08 30,98 4,36 17,72
10 - 0 0 14,76 27,66 13,17 1,58
11 0 + 0 14,06 30,23 6,71 29,70
12 0 - 0 16,12 23,86 1,66 9,67
13 0 0 + 14,12 31,17 14,67 6,11
14 0 0 - 25,56 29,39 12,36 3,64
Во всех опытах постоянными были следующие параметры: удельное давление прессования - 4,5 МПа; доля связующего во внутреннем слое - 8,9%; доля крупноформатных частиц наружного слоя - 0,4; влажность стружки - 4%; концентрация смолы - 54%. В качестве выходных величин приняты У1 - разбухание плит по толщине за 24 часа, %; У2 - прочность плит при статическом изгибе, МПа.
Проверка однородности дисперсий по критерию Кохрена [4] показала, что дисперсии опытов и для разбухания плит и для прочности однородны. Табличное значение критерия Кохрена Gт (т = 14; f = 4) = 0,26; расчетное значение критерия Кохрена: для разбухания Gp = 17,38/138,8 = 0,13; для прочности плит Gp = 29,7/133,56 = 0,22. В обоих случаях Gp < Gт.
После обработки результатов опытов были получены регрессионные модели, отражающая зависимость исследуемых величин от управляемых факторов: разбухание плит по толщине
У1 = 14,91 -3,648X1 - 1,21Х2 -3,324Х3 - 1,485X1 + 4,935Х32 + 1,285Х1 Х3 -1,095Х2Х3; прочность плит при статическом изгибе У2 = 29,319 + 4,041Х1 +1,788X2 + 4,579Х3 -
- 2,265Х2 + 0,97Х32 + 2,109Х1Х2 - 2,319Х2Х3 + 2,169Х2Х3.
Проверка адекватности полученных регрессионных моделей проводилась по критерию Фишера.
Для разбухания по толщине:
¿ад = 14-8 = 6; fy =14(5-1) =56; 52ад = 18,26; Fp = 18,26 / 9,914 = 1,842. = 2,268;
Fp < Fт.
Для прочности плит:
¿ад = 14-9 = 5;¿у =14(5-1)=56; 52ад = 11,462; Fp = 11,462/9,427 = 1,216. Fт = 2,386;
Fp < Fт.
Так как в обоих случаях табличное значение критерия Фишера оказалось больше расчетного, то модели адекватны и могут быть использованы для описания объекта.
Анализ представленных регрессионных моделей показывает, что прочность плит при статическом изгибе растет с увеличением расхода связующего в наружных слоях при большинстве возможных сочетаний уровней температуры и удельной продолжительности прессования и обусловлена увеличением влияния когезионной прочности в структуре древесного композита. При минимальной температуре прессования и максимальной удельной продолжительности прессования увеличение расхода связующего в наружных слоях не дает значимого изменения прочности композита. Некоторое
уменьшение прочности материала - в пределах среднего рассеяния в эксперименте, то есть, обусловлено влиянием случайных факторов. Это объясняется особенностями структуры древесного композита. В отличие от древесно-стружечных плит, наружные слои данного композита состоят из крупноразмерных форматированных частиц, контактирующих по всей пласти (подобно слоям шпона в фанере).
С увеличением температуры прессования прочность композитов растет, причем максимальных значений достигает при большей норме расхода связующего и максимальной продолжительности прессования. При меньшей продолжительности прессования не достигается необходимое соотношение степени поликонденсации связующего и условий выхода образующейся при прессовании парогазовой смеси.
Сочетание наименьшего расхода связующего и минимальной продолжительности прессования приводит к снижению прочности плит при увеличении температуры прессования. В данных условиях явления термодеструкции древесной составляющей композита преобладают над увеличением степени поликонденсации связующего, а часть сформировавшихся клеевых контактов разрушается при размыкании плит пресса парогазовой смесью (для ее выхода через торцы плиты недостаточно время прессования).
Динамика изменения прочности плит при статическом изгибе и разбухания по толщине при увеличении расхода связующего хорошо согласуются. При минимальной продолжительности прессования практически для всех уровней температуры разбухание по толщине максимально. Разбухание по толщине уменьшается при всех сочетаниях уровней температуры и удельной продолжительности прессования. Это обусловлено углублением степени поликонденсации связующего с ростом удельной продолжительности прессования. Полученный плитный композит по структуре наружных слоев близок к фанере, а производится по режимам прессования древесно-стружечных плит, для которых характерна много меньшая, чем для фанеры, удельная продолжительность прессования. Поэтому область термодеструкции связующего данного композита находится за пределами диапазона варьирования удельной продолжительности прессования.
Поскольку отечественных аналогов данного плитного композита не существует, при разработке технологических рекомендаций по параметрам процесса создания плитного материала на основе форматированных крупноразмерных частиц из шпона-рванины учтены требования Европейского стандарта EN 312, предъявляемые к конструкционным древесно-стружечным плитам и к конструкционным влагостойким плитам, а также требования Европейского стандарта ЕМ 300 к конструкционным влагостойким плитам из ориентированной стружки ОБВ/3.
Европейский стандарт EN 312, определяющий технические требования к древесностружечным плитам, регламентирует для конструкционных плит марки Р4 прочность при статическом изгибе не менее 15 МПа (для толщины 16 мм), а для особо прочных плит марки Р6 - не менее 18 МПа. Разбухание по толщине за 24 часа для Р4 должно быть не более 15%, а для Р6 - не более 14%. ОБВ/3 должны иметь прочность при статическом изгибе не менее 20 МПа, а разбухание по толщине за 24 часа не более 15%.
С учетом выше изложенного на основе анализа регрессионных моделей зависимости прочности плитного материала при статическом изгибе и разбухания по толщине за 24 часа рекомендуется следующее сочетание уровней технологических параметров процесса производства:
- норма расхода связующего в наружных слоях 8 % от веса абсолютно сухих древесных частиц (Х1 = +1) ;
- температура прессования 170 °С (Х2 = -1);
- удельная продолжительность прессования 0,3 мин/мм прессуемой плиты (Х3 = 0).
7/)П11 ВЕСТНИК _7/201J_МГСУ
При рекомендуемом сочетании факторов процесса производства изготовленный плитный материал будет иметь разбухание по толщине за 24 часа Ps = 13,9 %, прочность при статическом изгибе ои = 27,2 МПа. Данные характеристики отвечают требованиям, предъявляемым EN 312 к особо прочным плитам марки Р6, а EN 300 - к конструкционным влагостойким плитам.
Таким образом, экспериментально доказано, что использование отходов фанерного производства - шпона-рванины для получения специальной стружки типа Eurostrips во-первых, способствует решению проблемы организации безотходного производства, тем самым обеспечивает снижение затрат на сырье; во-вторых, позволяет создавать новые конкурентоспособные композиционные материалы для домостроения. Присутствие синергетических эффектов в производстве древесных композитов позволяет регулировать некоторые нормируемые показатели качества плит.
Литература
1. Волынский В.Н. Технология древесностружечных плит. - Таллин : Дезирата, 2004.
2. Бурдин H.A. Тенденции развития производства и потребления древесностружечных плит, а также торговли ими // Деревообрабатывающая промышленность, 2006. № 1. С. 2 - 7.
3. Green Building Guidelines or Resources - Irvine, California, 2006.
4. Пижурин A.A. Исследование процессов деревообработки. - М. : Лесная промышленность, 1984.
Literature
1. Volinsky V.N. Technology of wood particle boards - Tallinn : Dezirata, 2004.
2. Burdin N.A. Tendencies of development of manufacture and consumption of wood particle boards and their realization //Woodworking industry, 2006. № 1. p. 2-7.
3. Green Building Guidelines or Resources - Irvine, California, 2006.
4. Pizhurin A.A. Researches of woodworking industry process - M. : Forest industry, 1984.
Ключевые слова: домостроение, композиционные материалы, древесностружечные плиты, отходы деревообработки, отходы фанерного производства, регрессионный анализ
Key words: housing construction, composite materials, particle boards, waste products of woodworking, waste products of plywood manufacture, mathematical analysis
156005, г. Кострома, ул. Дзержинского, д.17, КГТУ
(4942) 31-79-40 E-mail: titunin62@mail.ru
Рецензент Ибрагимов Александр Майорович, д. т.н., профессор, Ивановский государственный архитектурно-строительный университет
