CC BY
19
УДК 674.049
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 6. С. 548-554
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КЛЕЕНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОГО ШПОНА
А. И. Криворотова, А. А. Орлов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Приведены результаты исследования свойств клееной древесной продукции на основе термомодифициро-ванного шпона. Определено, что высокотемпературная обработка древесины позволяет повысить физико-механические свойства фанеры общего назначения за счет использования для склеивания термомодифициро-ванного шпона. В работе реализован полно-факторный эксперимент термообработки шпона в диапазоне температур от 160 до 200 °С, продолжительностью от 120 до 240 мин. Выходными величинами опытов являлись прочностные показатели фанеры при статическом изгибе и при скалывание по клеевому слою, а также значения водопоглощения и разбухания. Установлено, что в зависимости от режима термообработки шпона прочностные характеристики клееной фанеры на его основе повышаются или снижаются. При этом термообработка шпона, не приводящая к снижению прочности фанеры, позволяет уменьшить показатели водопо-глощения и разбухания на величину от 20,4 до 33,5 %. Фанера на основе термомодифицированного шпона приобретает более высокие показатели прочности и водостойкости, что позволяет значительно расширить область применения клееной древесины на основе карбамидоформальдегидных смол.
Ключевые слова: фанера, лущеный шпон, термообработка, прессование, прочность, водопоглощение, разбухание, смола карбамидоформальдегидная.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 6, P. 548-554
THE STUDY OF THE PROPERTIES OF LAMINATED MATERIALS BASED ON THERMALLY MODIFIED VENEER
A. I. Krivorotova, А. A. Orlov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article presents the results of the study of the properties of laminated wood products based on thermomodified veneer. Determined that heat treatment of wood allows to improve the physico-mechanical properties of plywood General purpose through the use of for bonding thermomodified wood veneers. In this paper, implemented in a full-factorial experiment of thermal treatment of veneer sheets in the temperature range from 160 to 200 °С a duration from 120 to 240 min. The output values of the experiments were the strength parameters ofplywood with static bending and cleavage on the adhesive layer, as well as the values of water absorption and swelling. It is established that depending on the mode of heat treatment of veneer strength characteristics of plywood based on it increase or decrease. At the same time, heat treatment of veneer, which does not lead to a decrease in the strength of plywood, allows to reduce water absorption and swelling by 20.4 to 33.5 %. Plywood on the basis of thermomodified veneer acquires higher strength and water resistance, which allows to significantly expand the scope of laminated wood based on urea-formaldehyde resins.
Keywords: plywood, rotary cut veneer, heat treatment, urea-formaldehyde.
ВВЕДЕНИЕ
Технологии в области деревопереработки постоянно развиваются и совершенствуются. Древесина и древесные клееные материалы продолжают оставаться наиболее востребованными строительными, отделочными и декоративными материалами в современном мире. Однако, обладая массой уникальных свойств древесина и клееные материалы на ее основе имеют и целый ряд недостатков.
compression strength, water absorption, swelling, resin
Одним из общепризнанных способов устранения имеющихся недостатков древесины является модифицирование. Перспективным направлением изменения свойств древесины в настоящее время является термомодифицирование.
Термомодификация основана на высокотемпературной обработке древесины в интервале температур от 150 до 230 °С без использования химических веществ. В качестве агента обработки с функцией
защитной среды наиболее часто используется водяной пар.
Изучению эксплуатационных свойств, которыми обладает древесина после термообработки, посвящен ряд работ Государственного исследовательского центра УТТ в Финляндии и ученых из других стран. В нашей стране большой объем исследовательских работ в области новых технологий и оборудования для термической модификации древесины выполнен под руководством профессора Р. Р. Сафина [1].
Обобщая результаты проведенных ранее исследований можно сделать вывод, что термомодифицирование позволяет придать древесине особенный внешний вид за счет изменения цвета, значительно снизить показатели усушки и разбухания, повысить формостабильность и биостойкость. Обработанная древесина становится способной препятствовать вредному воздействию окружающих факторов, ее поверхность становится более прочной и твердой, изделия в процессе эксплуатации лучше сохраняют геометрические размеры и форму.
При высокотемпературной обработке происходят изменения строения и химического состава клеточной стенки. Так, в работе Е. Г. Владимировой установлено, что термодеструкции подвергаются легколетучие вещества и легкогидролизируемые полисахариды клеток, которые способствуют влагопоглощению, поэтому способность сорбировать влагу у термообработанной древесины уменьшается, независимо от значительного снижения ее плотности при тепловой обработке [2]. Снижение сорбционной способности древесины повышается с увеличением температуры агента обработки.
Установленные положительные результаты изменения физико-механических свойств древесины в процессе ее термомодифицирования позволяют предположить, что материалы на основе клееной древесины также будут обладать особенными свойствами.
Одними из самых распространенных и перспективных древесных клееных материалов являются материалы, изготовленные на основе лущеного шпона. В первую очередь это фанера. К достоинствам фанеры относятся: значительная прочность в продольном и поперечном направлении; высокая износостойкость и упругость; универсальность. К основным недостаткам, помимо токсичности, следует отнести низкую водо- и влагостойкость, горючесть.
Изучением влияния использования термомодифи-цированного шпона на свойства фанерной продукции занимались в Казанском национальном исследовательском технологическом университете [1; 3-5; 7; 8].
Процесс термомодифицирования в работе [3] осуществлялся следующим образом: листы шпона укладывались на плиты, после чего камера герметизировалась крышкой, и плиты пресса сжимались. Высокая температура плит пресса (до 280 °С) вызывала термическое модифицирование шпона за 10-15 минут в зависимости от требуемой степени модификации. В процессе обработки нечетные ряды плит осуществляли возвратно - поступательные движения и происходило постоянное «разглаживание» листов шпона прижимными роликами. Предполагается, что при таком температурном режиме обработки в древесном материале протекают молекулярные изменения, при которых дре-
весина превращается в совершенно новый материал в сравнении с тем, чем она была до обработки.
Изготовленная из термомодифицированного шпона фанера имела класс эмиссии свободного формальдегида равный классу эмиссии фанеры общего назначения, а по водопоглощению и влагостойкости соответствует фанере марки ФСФ. Установлено, что высокотемпературная обработка шпона приводит к снижению гигроскопичности, изменению цвета, плотности, массы и клеточной структуры образца. Подтверждена повышенная водостойкость фанеры на основе термообработанного шпона, рациональная температура обработки древесного наполнителя 190-210 °С.
Были проведены исследования по предварительному термомодифицированию шпона с последующим получением фанеры с низкими значениями водопо-глощения. Так, в работе выявлено, что поглощение воды термомодифицированных образцов фанеры снизилось на 13-25 % (по сравнению с необработанными образцами), а меньшие величины сорбции воды имели фанерные образцы, обработанные при 220 °С.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
И ОБСУЖДЕНИЕ
На кафедре технологии деревообработки СибГУ им. М. Ф. Решетнева смонтирована и испытана экспериментальная установка для термической модификации древесины на базе сушильного шкафа марки КВС G100/250.
В ходе предварительных экспериментов была разработана и сконструирована тепло-ограждающая конструкция, предназначенная обеспечить равномерное и устойчивое расположение образцов и их защиту от тепловых излучения с поверхности стенок шкафа. В качестве материала для тепло-ограждающих конструкций и этажерки образцов используется фторопласт. Для равномерной циркуляции агента обработки в шкафу смонтирован осевой вентилятор № 2,5.
Для проведения эксперимента по термомодификации шпона был проведен анализ имеющихся литературных данных с целью определения параметров и режимов термомодификации шпона. Диапазон температур считающийся наиболее оптимальным для термомодифицирования древесины варьируется от 150 до 280 °С [6]. Учитывая, что для проведения исследований был выбран березовый шпон толщиной 2,0 мм диапазон температур был принят от 160 до 200 °С. Продолжительность процесса термообработки составила 2 и 4 часа. Термомодификация состояла из следующих этапов: нагревание-высокотемпературная сушка, термообработка, охлаждение-кондиционирование.
Измеряемые величины, диапазон их значений и допустимые погрешности приведены в табл. 1.
Для проведения эксперимента был использован план ПФЭ 22. Необходимая точность обеспечивалась 5-и кратным дублированием измерений. Х1 - обозначена температура агента термообработки, которая варьировалась на двух уровнях: на верхнем - 200 и нижнем -160. Х2 - обозначена продолжительность термообработки, которая была задана на верхнем уровне равной 120 мин (2 ч), и на нижнем - 240 мин (4 ч).
Графики изменения температур агента обработки и на поверхности шпона представлены на рис. 1-4.
Таблица 1
Измеряемые величины
Наименование Диапазон ожидаемых Допустимая погрешность
значений измерений
Температура внутри образца, °С 20-250 ±1
Температура на поверхности образца, °С 20-250 ±1
Температура агента обработки, °С 20-250 ±1
Продолжительное!,, мнн
> Температура агента обработки ■ Темпера 1 ура шпона
Рис. 1. График изменения показателей температуры при термообработке шпона с параметрами Т = 160 °С, т = 240 мин
Продолжительное!,, мин
* Температура агента обработки —*—Температура шпона
Рис. 2. График изменения показателей температуры при термообработке шпона с параметрами Т = 160 °С, т = 120 мин
140
20
40 60 80
Продолжительное!,, мин
100
120
-Температура агента обработки
-Температура шпона
Рис. 3. График изменения показателей температуры при термообработке шпона с параметрами Т = 200 °С, т = 120 мин
215
205
О
а
£
195
185
175
165
50
100 150
Продолжительное!,, мин
200
250
-Температура агента обработки
-Температура шпона
Рис. 4. График изменения показателей температуры при термообработке шпона с параметрами Т = 200 °С, т = 240 мин
Как видно из представленных графических зависимостей температура поверхности шпона имеет несколько меньшие значения, чем температура агента термообработки (температура среды). Это связано с импульсным режимом работы нагревателя и циркуляционного вентилятора экспериментальной установки. После начала принудительной циркуляции агента обработки температура шпона и температура среды в шкафу практически выравнивались. Однако следует отметить, что разница между температурой шпона и температурой среды при заданной температуре обработки 160 °С составляла не более ±5 °С, а при температуре обработки 200 °С увеличивалась до ±10 °С.
Таким образом, средний диапазон требуемых температур при термомодификации шпона выдерживался в соответствие с заданными параметрами.
После окончания процесса термомодификации шпон укладывался в пачки по партиям и выдерживался в течение 24 ч под небольшим пригрузом для выравнивания возможных напряжений.
Прессование образцов фанеры на основе термомо-дифицированного березового шпона производилось по стандартной методике. Предварительный эксперимент показал, что режим прессования фанеры на основе термомодифицированного шпона с применением карбамидоформальдегидной смолы не требует допол-
нительной корректировки и соответствует режиму прессования фанеры общего назначения марки ФК: удельное давление Руд = 1,6 МПа; температура Тпр = 120 °С; удельная продолжительность прессования туд = 0,7 мин/мм.
Величина упрессовки для всех образцов фанеры соответствовала принятой для березовой фанеры и составила от 9,8 до 10,6 %.
Испытание физико-механических характеристик образцов фанеры на основе термомодифицированного шпона производилось после выдержки в течение 48 ч. При проведении испытании использовалась современная испытательная машина УТС-30.
Сводный отчет результатов испытания на прочности при статическом изгибе и скалывании по клеевому слою представлен в табл. 2-3.
Для проведения сравнительной оценки прочностных характеристик фанеры на основе модифицированного березового шпона были изготовлены образцы фанеры из исходного березового шпона. Березовый шпон для изготовления фанеры марки ФК был отобран из той же партии шпона, который использовался для обработки. Результаты испытания физико-механических свойств фанеры марки ФК на основе исходного шпона представлены в табл. 4.
Из представленных данных видно, что все образцы фанеры, изготовленной на основе термомодифициро-ванного шпона, удовлетворяют требованиям стандарта. Наибольшие показатели прочности при статическом изгибе имеют образцы фанеры изготовленной из шпона модифицированного при следующих параметрах: температура 160 °С, продолжительность 4 ч и температура 200 °С, продолжительность 2 ч.
Сравнительный анализ прочности образцов фанеры показывает, что наибольшее возрастание прочности при статическом изгибе наблюдается для образцов фанеры изготовленной из шпона модифицированного при температуре 200 °С, продолжительность 2 ч. Средний предел прочности составляет 78,6 МПа. Наименьшее значение прочности при статической изгибе у образцов фанеры изготовленной из шпона модифицированного при температуре 200 °С, продолжительность 4 ч. Средний предел прочности
составляет 58,9 МПа. В данном случае прочность образцов приближается к прочности образцов на основе исходного березового шпона. Такие изменения прочностных показателей, вероятно, связаны с изменением свойств древесины в процессе термомодификации. Поверхность шпона в результате термомодификации становится более плотной и твердой, снижается влияния неровностей и шероховатости соединяемых поверхностей на прочность склеивания, происходит изменение клеточного строения древесины.
Для показателя прочности при скалывании по клеевому слою наблюдается зависимость аналогичная пределу прочности при статическом изгибе. Наибольшие показатели прочности при скалывании по клеевому слою имеют образцы фанеры изготовленной из шпона модифицированного при температуре 160 °С продолжительностью 4 ч и температуре 200 °С, продолжительностью 2 ч. Наибольшее возрастание прочности при скалывании наблюдается для образцов фанеры изготовленной из шпона модифицированного при температуре 200 °С продолжительностью 2 ч. Средний предел прочности при скалывании составляет 2,1 МПа, при требуемом стандартом 1,5 МПа. Наименьшее значение прочности при скалывании по клеевому слою у образцов фанеры изготовленной из шпона модифицированного при температуре 200 °С, продолжительности 4 ч. Средний предел прочности составляет 1,4 МПа, что ниже требований стандарта (1,5 МПа). Такую особенность можно объяснить формированием на поверхности шпона более плотного слоя, препятствующего смачиванию поверхности шпона клеем, повышением, так называемой, инактивации поверхностного слоя древестины, снижением шероховатости и, следовательно, снижением адгезионного контакта межу клеем и древесиной. Такое предположение подтверждает вид разрушение образца фанеры при испытаниях. Если в первых трех видах образцов чаще всего наблюдался смешанный тип разрушения, то в случае испытания фанеры на основе шпона модифицированного при максимальных параметрах термообработки, тип отрыва наблюдался коге-зионный по клеевому слою.
Таблица 2
Результаты испытаний на статический изгиб
Температура обработки/ Предел прочности на статический изгиб, МПа
продолжительность обработки Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5
160/2 74,22 72,75 69,8 73,9 72,96
160/4 75,77 78,058 76,42 77,03 76,12
200/2 75,86 78,6 81,36 77,62 79,33
200/4 57,12 53,609 65,83 56,7 59,36
Таблица 3
Результаты испытаний при скалывании по клеевому слою
Температура обработки/ Предел прочности при скалывании, МПа
продолжительность обработки Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5
160/2 1,761 1,972 1,821 1,798 1,902
160/4 2,309 2,401 2,362 2,296 2,106
200/2 1,994 2,257 2,012 1,990 2,106
200/4 1,584 1,163 1,265 1,369 1,401
Таблица 4 Результаты показаний обычной фанеры
Наименование показателя Значение показателя
Предел прочности при статическом изгибе, МПа 58,2
Предела прочности при скалывании по клеевому слою, МПа 1,75
Водопоглощение, % 65,6
Разбухание, % 18,2
Таблица 5
Результаты испытаний на водопоглощение и разбухание
Температура обработки/ Водопоглощение за 24 ч, % Разбухание за 24 ч, %
продолжительность обработки
160/2 62,06 16,6
160/4 52,22 12,1
200/2 51,32 10,77
200/4 48,09 10,3
Полученные образцы фанеры также были испытаны на водопоглощение и разбухание. Во многих работах по термомодифицированию древесины отмечается, что термомодификация позволяет снизить значения водопоглощения древесины в несколько раз. Результаты испытаний представлены в табл. 5.
Максимальное значение водопоглощения и разбухания наблюдается у образцов, изготовленных из шпона модифицированного при температуре 160 °С, и продолжительность 2ч- 62,06 и 16,6 % соответственно. Минимальное значение у образцов, изготовленных из шпона модифицированного при температуре 200 °С, и продолжительность 4 ч - 48,09 и 10,3 соответственно. Водопоглощение термомодифициро-ванных образцов по сравнению с фанерой общего назначения снижается на величину от 5,4 до 26,6 %. Разбухание снижается на величину от 8,8 до 43,4 %. Таким образом, фанера на основе термомодифициро-ванного шпона приобретает более высокие показатели водостойкости, что позволяет значительно расширить область применения фанеры на основе карбамидо-формальдегидных смол.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Высокотемпературная обработка древесины является одним из способов повышения физико-механических свойств фанеры общего назначения за счет использования для склеивания термомодифици-рованного шпона.
Реализация в работе ПФЭ позволила установить, что прочность фанеры зависит от режима термообработки шпона. Наибольшие показатели прочности при статическом изгибе (78,6 МПа) и при скалывании по клеевому слою (2,1 МПа) имеют образцы фанеры изготовленной из шпона модифицированного при следующих параметрах режима: г = 160 °С и т = 4 ч; г = 200 °С и т = 2 ч.
Повышение прочности при скалывании наблюдалось для образцов фанеры изготовленной из шпона модифицированного при г = 200 °С и т = 2 ч.
Наименьшее значение прочности при скалывании по клеевому слою (1,4 МПа) обнаружено у образцов фанеры изготовленной из шпона модифицированного при г = 200 °С и т = 4 ч. Причина этого - формирование на поверхности шпона более плотного слоя, препятствующего смачиванию поверхности клеем, повышением, так называемой, инактивации поверхностного слоя древесины, снижением шероховатости и, следовательно, снижением адгезионного контакта межу клеем и древесиной.
Термообработка шпона, не приводящая к снижению прочности фанеры, позволяет снизить показатели водопоглощения и разбухания на величину от 20,4 до 33,5 %.
Таким образом, фанера на основе термомодифи-цированного шпона приобретает более высокие показатели прочности и водостойкости, что позволяет значительно расширить область применения клееных материалов на основе карбамидоформальдегидных смол.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Сафин Р. Р., Белякова Е. А., Разумов Е. Ю. Разработка новой технологии получения термодревесины // Вестник Казан. технологич. ун-та. 2011. № 1. С. 148-157.
2. Владимирова Е. Г. Технология производства заготовок из термически модифицированной древесины : дис. ... канд. техн. наук. М., 2012. 178 с.
3. Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины / Р. Р. Ха-саншин, Р. Р. Сафин, Ф. Г. Валиев и др. // Вестник Казан. технологич. ун-та. 2012. Т. 15, № 7. С. 57-61.
4. Сафин Р. Р., Хасаншин Р. Р., Ахметова Р. Р. Исследование термомодифицирования древесины сосны в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов // Дизайн и производство мебели. 2008. № 2. С. 29-31.
5. Сафин Р. Р., Разумов Е. Ю. Разработка технологий и оборудования термомодифицирования пиломатериалов : монография / ПГТУ. Йошкар-Ола, 2015. 380 с.
6. Разумов Е. Ю., Белякова Е. А., Сафин Р. Р. Математическая модель процесса термомодифицирования древесины труднопропитываемых пород в жидкости // Вестник Казан. технологич. ун-та. 2011. № 16. С. 227-241.
7. Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древесины в жидкостях / Р. Р. Сафин, Е. А. Белякова, Р. А. Халитов и др. // Вестник КГТУ. 2012. Т. 15, № 3. С. 127-139.
8. Разработка технологии создания влагостойкой фанеры / Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасаншин, Р. Р. Зиатдинов [и др.] // Вестник Казан. технологич. ун-та. 2012. Т. 15, № 20. С. 64-65.
REFERENCES
1. Safin R. R., Belyakova E. A., Razumov E. Yu. Razrabotka novoy tekhnologii polucheniya termo-drevesiny // Vestnik Kazan. tekhnologich. un-ta. 2011, No. 1, S. 148-157.
2. Vladimirova E. G. Tekhnologiya proizvodstva zagotovok iz termicheski modifitsirovannoy drevesiny : dis. ... kand. tekhn. nauk. Moscow, 2012, 178 s.
3. Povysheniye ekspluatatsionnykh kharakteristik kompozitsionnykh materialov, sozdannykh na osnove termicheski modifitsirovannoy drevesiny / R. R. Khasa-
nshin, R. R. Safin, F. G. Valiyev i dr. // Vestnik Kazan. tekhnologich. un-ta. 2012, T. 15, No. 7, S. 57-61.
4. Safin R. R., Khasanshin R. R., Akhmetova R. R. Issledovaniye termomodifitsirovaniya drevesiny sosny v usloviyakh vakuumno-konduktivnykh apparatov // Dizayn i proizvodstvo mebeli. 2008, № 2, S. 29-31.
5. Safin R. R., Razumov E. Yu. Razrabotka tekhnologiy i oborudovaniya termomodifitsirovaniya pilomaterialov : monografiya / PGTU. Yoshkar-Ola, 2015, 380 s.
6. Razumov E. Yu., Belyakova E. A., Safin R. R. Matematicheskaya model' protsessa termomodifitsiro-vaniya drevesiny trudnopropityvayemykh porod v zhidkosti // Vestnik Kazan. tekhnologich. un-ta. 2011, No. 16, S. 227-241.
7. Razrabotka tekhnologii i apparaturnogo oform-leniya termomodifitsirovaniya drevesiny v zhidkostyakh / R. R. Safin, E. A. Belyakova, R. A. Khalitov i dr. // Vestnik KGTU. 2012, T. 15, No. 3, S. 127-139.
8. Razrabotka tekhnologii sozdaniya vlagostoykoy fanery / R. R. Safin, R. R. Khasanshin, R. R. Ziatdinov [i dr.] // Vestnik Kazan. tekhnologich. un-ta. 2012, T. 15, No. 20, S. 64-65.
© Криворотова А. И., Орлов А. А., 2018
Поступила в редакцию 14.11.2018 Принята к печати 10.12.2018
