CC BY
43
ДЕРЕВООБРАБОТКА
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОЙ ФАНЕРЫ
С.А. УГРЮМОВ, проф. каф. механической технологии древесины Костромского ГТУ, д-р техн. наук,
А.С. СВЕШНИКОВ, студент 5 курса Костромского ГТУ, специальность «Технология деревообработки»
ugr-s@yandex. ru; nis@kstu. edu. ru
Композиционная фанера представляет собой плитный клееный материал, наружные слои которого состоят из взаимно перпендикулярных слоев лущеного шпона, а внутренним заполнением является клеевая композиция на основе измельченных древесных или других дискретных целлюлозосодержащих частиц [1]. При организации производства композиционной фанеры в рамках основного фанерного производства имеется возможность эффективной переработки образующихся отходов (прежде всего шпона-рванины, обрезков кускового шпона и др.), уменьшения расхода лущеного шпона, снижения себестоимости готовой продукции при обеспечении требуемых физико-механических свойств.
Основные характеристики композиционной фанеры и влияние на них условий горячего прессования рассмотрены в работе [2]. В ходе дополнительных экспериментальных запрессовок выявлены факторы, оказывающие не менее значимый эффект на эксплуатационные характеристики композиционной фанеры как конструкционного материала:
- плотность внутреннего слоя, влияющая на качество упаковки частиц и, следовательно, на прочность материала;
- расход связующего, влияющий на качество склеивания частиц между собой,
прочностные и водозащитные свойства материала;
- количество вводимого модификатора в связующее (парафиновой эмульсии «Эрговакс-60», влияющей на водозащитные свойства материала).
Указанные факторы приняты в качестве управляемых при постановке и реализации экспериментального В-плана второго порядка. При проведении опытных запрессовок применялся клей на основе карбамидофор-мальдегидной смолы КФН-66 и отвердителя хлористого аммония, в наружных слоях использовался березовый лущеный шпон номинальной толщиной 1,15 мм, для внутреннего заполнения использовалась березовая специальная резаная стружка фракции 10/5, изготовление плит проводилось при следующих постоянных факторах:
- номинальная толщина готовой плиты 12 мм;
- температура прессования 130 °С;
- удельное давление прессования 2
МПа;
- время выдержки под давлением 6
мин;
Уровни варьирования управляемых факторов выбраны на основе анализа результатов предварительных запрессовок и представлены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Управляемые факторы и уровни их варьирования
Наименование факторов Обозначение Интервал варьирования Уровни варьирования
кодирован. натураль- ное нижний (-1) основной (0) верхний (+1)
Плотность внутреннего слоя, кг/ м3 *1 Р 100 600 700 800
Расход связующего, % *2 Рсв 4 8 12 16
Количество парафиновой добавки, % *3 К п 0,5 0 0,5 1
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
163
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента
№ оп. Управляемые факторы Выходные величины
в кодированном обозначении в натуральном обозначении предел прочности при изгибе, МПа предел прочности при отрыве, МПа предел прочности при выдергивании шурупов, МПа разбухание по толщине, % объемное разбухание, % водопог-лощение, %
Х1 Х2 Х3 ft кг/м3 Р , % св К, % И* из кромки из пласти
1 -1 -1 -1 600 8 0 36,0 0,22 48 86 17,9 18,7 65,8
2 +1 -1 -1 800 8 0 45,6 0,26 54 98 18,4 19,7 69,3
3 -1 +1 -1 600 16 0 52,6 0,29 51 92 14,0 15,2 50,2
4 +1 +1 -1 800 16 0 58,2 0,36 56 101 15,3 16,2 55,7
5 -1 -1 +1 600 8 1 33,0 0,19 50 84 12,1 12,9 42,1
6 +1 -1 +1 800 8 1 42,6 0,25 54 95 13,6 14,3 47,3
7 -1 +1 +1 600 16 1 49,6 0,30 53 89 9,9 10,6 37,8
8 +1 +1 +1 800 16 1 55,2 0,32 60 100 11,1 11,8 42,0
9 -1 0 0 600 12 0,5 44,2 0,26 51 87 10,9 11,4 40,2
10 +1 0 0 800 12 0,5 51,8 0,29 58 99 11,9 12,6 44,6
11 0 -1 0 700 8 0,5 39,6 0,23 52 89 12,8 13,9 46,1
12 0 +1 0 700 16 0,5 54,2 0,34 57 97 11,8 12,5 43,2
13 0 0 -1 700 12 0 47,0 0,28 55 95 15,3 16,3 53,4
14 0 0 +1 700 12 1 44,0 0,24 52 90 11,3 11,9 39,6
В качестве выходных величин приняты физико-механические показатели, характеризующие эксплуатационные характеристики фанеры - пределы прочности при изгибе и перпендикулярном отрыве, пределы прочности при выдергивании шурупов из кромки и из пласти, разбухание по толщине, объемное разбухание и водопоглощение композиционной фанеры после выдержки ее в воде в течение 24 ч, определенные по методикам для фанеры общего назначения и древесно-стружечных плит (ГОСТы 9621, 10634, 10635, 23234, 10637).
Количество дублированных опытов для всех выходных величин на основе оценочных экспериментов и расчета по критерию Стьюдента составило 5.
Матрица планирования эксперимента с выходными величинами представлена в табл. 2.
Математическая обработка полученных экспериментальных данных проведена по стандартной методике обработки результатов плана второго порядка [3]. Установлено, что полученные выборки не содержат грубых результатов, а дисперсии опытов являются однородными.
После исключения количественно незначимых членов математические модели
влияния рассмотренных факторов в кодированном обозначении на свойства композиционной фанеры имеют следующий вид:
- выходная величина - предел прочности при изгибе:
Y = 46,883+3,8 X+7,3 X2-1,5 X3+
+ 1,132 у2 -1,368 X32-XjX2 ;
- выходная величина - предел прочности при перпендикулярном отрыве:
Y2 = 0,273 + 0,022 X+0,046 X2 ;
- выходная величина - предел прочности при выдергивании шурупов из кромки:
Y3 = 54,634 + 2,9 X+1,9 X+0,5 X3;
- выходная величина - предел прочности при выдергивании шурупов из пласти:
Y4 = 92,702 + 5,5 X+2,7 X-1,4 X3;
- выходная величина - разбухание по толщине:
Y5 = 11,47 -1,26 X2-2,3 X3 +1,83 X32 ;
- выходная величина - объемное разбухание:
Y = 12,19 + 0,58 X-1,32 X, --2,46 X3 -1,01 X22-1,91 X32 ;
- выходная величина - водопоглощение:
Y7 = 41,22+2,26Xr4,15 X2--8,51X3+1,19X43,44 X22+5,41X32+2,42XX3.
164
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Математические модели в натуральном обозначении факторов, позволяющие спрогнозировать значения выходных величин при любых сочетаниях факторов в рассмотренном диапазоне, имеют вид:
- выходная величина - предел прочности при изгибе:
о = -193,89 + 1,132-Ю-4 р2 - 0,09 р - 5,544 Р 2 -
- 0,025 р Р + 2,544 Р + 3,575 Р ;
- выходная величина - предел прочности при перпендикулярном отрыве:
ох = 2,438 + 2,2-Ш-4 р + 0,0115 Рсв ;
- выходная величина - предел прочности при выдергивании шурупов из кромки:
о = 28,134 + 0,029 р + 0,475 Р + Р ;
- выходная величина - предел прочности при выдергивании шурупов из пласти:
о = 47,502+0,055 р + 0,675 Р - 2,8 Р ;
кр 7 7 1 7 св 7 пар 7
- выходная величина - разбухание по толщине:
Р = 19,38 - 0,315 Р+ 7,32 Р 2 - 71,92 Р ;
s 7 7 св 7 пар 7 пар 7
- выходная величина - объемное разбухание:
Р = 24,71 + 0,063 Р2 - 7,64 Р 2 -
о 7 7 св 7 пар
- 1,182 Р + 0,58-Ю-2 р - 2,72 Р ;
св пар
- выходная величина - водопоглощение:
Y4 = 97,13 + 0,022 р - 1Д9-10-4 р2 -
- 12,25 Р + 0,215 Р 2 + 21,41 Р 2 -
св св пар
- 183,63Р +12,1Р Р .
пар св пар
Данные модели являются адекватными и эффективными.
Анализ полученных математических моделей позволил определить, что на прочностные показатели композиционной фанеры наибольшее влияние оказывает плотность внутреннего слоя, с увеличением которой происходит упрочнение материала, существенное влияние оказывает также расход связующего, особенно для прочности при перпендикулярном отрыве по пласти. Физические показатели (разбухание, водопоглощение) при увеличении плотности внутреннего слоя несколько ухудшаются, что связано с увеличением релаксационных процессов при увлажнении уплотненного материала. Значимое улучшение физических показателей происходит при наличии парафиновой добавки, препятствующей соприкосновению воды с древесными частицами внутреннего слоя.
Анализ полученных математических моделей позволил определить рациональные условия производства композиционной фанеры с внутренним слоем на основе древесной стружки:
- плотность внутреннего слоя 700 кг/м3;
- расход связующего 12-15 % от массы наполнителя;
- количество парафиновой эмульсии
0. 5.1,0 % от массы наполнителя;
- температура прессования 130 °С;
- давление прессования 2,0 МПа;
- время выдержки под давлением 6 мин (0,5 мин на 1 мм толщины фанеры).
При изготовлении плит при данных условиях удается получить материал с прочностью при изгибе 44-54 МПа, при перпендикулярном отрыве порядка 0,25 МПа, при выдергивании шурупов из кромки - 5055 МПа, из пласти - 90-95 МПа, разбуханием по толщине - 11-13 %, водопоглощением - 40-45 %. Данные показатели приближаются к нормативным требованиям на фанеру общего назначения (ГОСТ 3916.1-96) и превышают основные требования на стружечные плиты (ГОСТ 10632-07). Уравнения регрессии в натуральном обозначении факторов позволяют спрогнозировать значения физико-механических показателей при любых сочетаниях управляемых факторов в рассмотренном диапазоне в зависимости от технологических особенностей производства или выявить уровни факторов в зависимости от требуемых эксплуатационных характеристик композиционной фанеры в соответствии со сферами ее применения.
Библиографический список
1. Угрюмов, С.А. Разработка технологической последовательности производства композиционной фанеры с применением костры льна / С.А. Угрюмов, Е.А. Боровков, А.Е. Щербаков // Вестник МГУЛ
- Лесной вестник. - 2007. - № 6. - С. 120-123.
2. Угрюмов, С.А. Планирование и реализация эксперимента для оценки влияния технологических факторов на свойства композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, А.А. Смирнов // Вестник МГУЛ
- Лесной вестник. - 2006. - № 6. - С. 130-132.
3. Пижурин, А.А. Исследование процессов деревообработки / А.А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесная пром-сть, 1984. - 232 с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
165
