CC BY
29
УДК 674.816.3
Р. Т. Хасаншина, Р. Р. Зиатдинов, С. А. Угрюмов, Д. А. Смирнов, М.В. Шулаев
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ
НА ОСНОВЕ ФУРАНОВОГО ОЛИГОМЕРА
Ключевые слова древесно-стружечные плиты, фурановая смола, модификация, физико-механические свойства, прочность.
Получены уравнение деформирования древесно-стружечных плит на основе фуранового олигомера. Установлено, что в сравнении с плитами на основе карбамидоформальдегидной смолы плиты на основе фурановой смолы меньшими деформационными свойствами.
Keywords: particle boards, furan resin, modification, physics-mechanical properties, durability.
The equation of deformation chipboard based on furan oligomer. Setting-but that in comparison with the plates on the basis of urea-formaldehyde resin plate based on furan resins smaller deformation properties.
Введение
Производство композиционных материалов на основе древесины является динамично развивающейся отраслью глубокой переработки древесины. Возникла эта отрасль в связи с необходимостью расширения областей использования возобновляемых ресурсов -древесины, а также стремлением максимально использовать отходы деревообработки. [1, 2, 3].
Для решения задач оптимального проектирования режимов прессования плит также необходимы сопряженные модели деформации плит, в которых макроскопические свойства полимерных композиций связаны закономерностями с макрокинетическими параметрами их переработки (полями напряжений, температур, влажности) [4]. Такие математические модели позволяют, минуя дорогостоящие и длительные натурные испытания, получать качественную, а часто и количественную информацию о динамике изменения свойств, макрокинетических закономерностях процесса прессования, что существенно облегчает конструирование и оптимизацию режимов работы технологического оборудования.
В работе [5] предложена математическая модель объемного прессования плит в процессе деформирования сыпучей композиции, состоящей из дисперсных частиц древесного наполнителя и термопластичного полимера. Такое допущение справедливо, если толщина прессуемых плит мала. В других случаях силы трения на границе стенка -материал оказывают существенное влияние на распределение напряжений и деформаций в прессуемом изделии.
Известно, что древесно-стружечные плиты на основе фурановых олигомеров обладают повышенными физико-механическим свойствами [6, 7], обусловленными природой применяемого фуранового связующего, а также особенностями его химического взаимодействия с компонентами древесного наполнителя [8, 9].
Представляет теоретический и практический интерес получение математических моделей процесса прессования и деформирования плит на основе фура-новых смол.
Основная часть
Постановка задачи. В прессе прессуется плита из композиции, состоящей из частиц дисперсного древесного наполнителя и фуранового полимера. Размеры и плотность плиты заданы. Рецептура композиции задана массовыми долями составных компонентов. Температура плит пресса известна и изменяется скачком при переходе от стадии нагрева к стадии охлаждения. Теплофизические и механические свойства компонентов известны и представлены в виде функций температуры. Адгезионное взаимодействие на границе раздела частица наполнителя и полимерной матрицы зависит от температуры и давления прессования. Температурные изменения
теплофизических и механических свойств компонентов наполнителя и полимерной матрицы являются обратимыми. Требуется найти функцию изменения во времени давления на поверхности плиты.
Декомпозиция процесса оосуществляется исходя из условий деформирования брикета. В начальный момент времени 1=0 пуансон (или плита пресса) соприкасается с брикетом высотой И0 композиция является сыпучим телом с начальной температурой Т0. Затем, на первой стадии пуансон перемещается вверх с постоянной скоростью, материал сжимается, и нагрузка возрастает до максимального значения при 1=11. Это стадия смыканием плит пресса. Так как продолжительность ее мала, то температура брикета изменяется незначительно и можно считать, что деформирование протекает в изотермических условиях. На второй стадии (11 <К12) в результате подвода теплоты происходит нагрев композиции и плавление связующего. Под влиянием постоянного давления связующее растекается и заполняет свободные полости между частицами наполнителя. При этом происходит дальнейшая деформация композиции, и формирование адгезионного контакта на границе раздела полимер-частицы наполнителя. Вторая стадия заканчивается тогда, когда фронт плавления полимера достигает центра плиты.
На третьей стадии (12<1^13) происходит охлаждение материала. При этом он не
деформируется. На конечном этапе процесса (1 >13) нагрузка на пуансон снижается до нуля, готовая плита извлекается из пресса.
Модель деформирования брикета при смыкании плит. При построении модели приняты следующие допущения: при смыкании пресс-формы пуансон перемещается относительно боковых прокладок без трения с постоянной скоростью; температура материала при нагружении постоянна; суммарная деформация сжатия всех элементарных слоев равна деформации, созданной движением пуансона; осевые и радиальные напряжения в прессуемом брикете меняются только с изменением координаты 7; отношение радиальных напряжений 5х и 5у к осевому напряжению 52 равно постоянной величине и не зависят от положения точки; диссипативный разогрев прессуемого материала пренебрежимо мал.
При объемном изотермическом прессовании пористого тела, состоящего из дисперсных частиц, в абсолютно жесткой матрице деформации в направлении осей координат х и у отсутствуют, т.е. £х = £у = 0. Поэтому изменение во времени деформации тела в направлении оси г зависит только от начальной высоты засыпки Ьо и скорости движения пуансона у:
Потребное количество абсолютно сухой
(( ) = 1 о. t .
h,
(1)
Первоначальная высота засыпки композиции пропорциональна плотности р2 и толщине Ь2 готовой плиты.
h = Р h "о "2-
Ро
(2)
где р0 - насыпная плотность композиции.
Для получения сравнительных данных в приведенные формулы подставим стандартные значения р0, р2, Ь2 для плит на основе карбамидоформальдегид-ной смолы. Так как при применении других смол возможно изменение плотности композиции, то для получения значения р2 для плит на основе фурановой смолы необходимо ввести переходной коэффициент изменения плотности структуры Ки, который определяется по формуле [5]:
Ки = ^,
и п ' '2
(3)
где П1, П2 - пористость сравниваемых плит.
Пористость плит можно определить по формуле
[10]:
(„
(4)
п = 1-р0^
\Р2 Рi
3.
где Ро - плотность плиты, кг/м ; ш2 - массовая доля смолы; р2 - плотность смолы, кг/м3; - массовая доля компонентов; р, - плотность компонентов, кг/м3.
Для определения необходимого количества стружки и смолы для производства 1 м3 плит воспользуемся формулами для пооперационного расчета в плитном производстве [11].
стружки на производство 1м3 плит G рассчитывается по формуле
Ge. =
кг/м
Рпл • i04 i
(5)
(100 + Wnn )00 + Р)' где рпл - плотность плит, кг/м 3; i - доля внутреннего, наружных слоев плит; Wnn - влажность готовой плиты, %; P - расход сухого связующего для внутреннего, наружных слоев плит, % от массы абсолютно сухой стружки.
Потребность в абсолютно сухой смоле Gcyx.,
кг, рассчитывается по нормам расхода связующего, на производство 1 м3 плит:
Gcyx = , (6)
сух 100
где кп - коэффициент потерь смолы для внутреннего и наружных слоев плит на отдельных операциях технологического процесса:
kп = кем ■ ктр , (7)
где ксм - коэффициент потерь смолы на участках ее приготовления и смешивания со стружкой, ксм = 1,007 ; ктр - коэффициент потерь смолы при
транспортировке осмоленной стружки, ктр = 1,01.
Потребность в смоле в виде раствора GW см , кг, рассчитывается по формуле:
Gw
Gcyx • 100
К
(8)
где К - концентрация смолы, %.
Для получения сравнительных результатов расчетов по приведенным формулам примем плотность плиты 700 кг/м3, расход связующего для кар-бамидоформальдегидной смолы 9,2% для внутреннего слоя и 12,5% для наружных слоев [11]. Расход связующего для фурановой смолы, исходя из экспериментальных данных, соответственно 13,8% и 18,8% [12]. Полученные данные сведены в табл. 1, 2.
Таблица 1 - Данные для расчета пористости плит
Плиты на основе карбамидоформальдегидной
смолы
Компонент Плотность, Массовая
кг/м3 доля
Стружка 520 0,79
Смола 1200 0,10
Отвердитель (хлористый аммоний) 1527 1,1х10-3
Карбамид 1320 2,9х10-3
Аммиачная вода 910 2,2х10-4
Парафиновая эмульсия 950 7,9х10-3
Вода 1000 9,7х10-2
Пористость 0,87
Таблица 2 - Данные для расчета пористости плит
Плиты на основе фурановой смолы
Компонент Плотность, Массовая
кг/м3 доля
Стружка 520 0,71
Смола 1130 0,14
Отвердитель (толуол-сульфо-кислота) 510 0,01
Вода 1000 0,14
Пористость 0,80
Коэффициент изменения Ки=0,87/0,80=1,09. В результате изменение Ьо=1,09, значит, в результате формула 2 будет иметь вид:
() 1 * 0,94 е2((и-* =——и-* . (9)
1,09h0
hn
Заключение
Таким образом, получены уравнения, связывающее внутренние характеристики клеевой композиции с характеристиками древесно-стружечной плиты на основе фуранового олигомера. Полученные уравнения показывают, что деформации плит на основе фу-рановой смолы меньше, то есть данные плиты обладают более высокими физико-механическими характеристиками.
Литература
1. Сафин, Р.Р. Разработка технологии создания влагостойкой фанеры / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Зиатдинов и [др.] // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2012. - № 20. - С. 64-65.
2. Хасаншин, Р.Р. Повышение эксплуатационных характеристик клееных материалов, созданных на основе термооб-работанного шпона / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Зиатдинов // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2013. - № 13. - С. 87-89.
3. Сафин Р.Р. Композиционные материалы на основе модифицированных древесных опилок обработанные ВЧ плаз-
мой / Р.Р. Сафин, Л.И. Аминов, Е.Ю. Разумов [и др.] // Деревообрабатывающая промышленность.
4. Шварцман Г.М. Производство древесно-стружечных плит / Г.М. Шварцман. -М.: Лесная промышленность, 1987. - 320 с.
5. Прокофьев Н.С. Математическая модель прессования композиционных материалов с заданными теплофизиче-скими свойствами // Научные труды МГУЛ. - М.: МГУЛ, 1997. - Вып. 293. -С. 14-23.
6. Угрюмов С.А. Фурановые смолы в производстве клееных древесных материалов: монография / С.А. Угрюмов. - Кострома: РИС КГТУ, 2012. - 142 с.
7. Угрюмов С.А. Оценка влияния технологических факторов на свойства древесно-стружечных плит на основе фурановой смолы / С.А. Угрюмов, А.А. Федотов // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Лес. Экология. Природопользование». - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012. - № 2(16). - С. 36-42.
8. Федотов А.А. Реакции отверждения фурфуролацетонового мономера ФА, применяемого в производстве древесно-стружечных плит / А. А. Федотов, С. А. Угрюмов // Энциклопедия инженера-химика, 2012. -№ 11. -С. 25-28.
9. Кононов Г.Н. Химическое взаимодействие древесных частиц со связующим на основе фуранового олигомера в структуре древесно-стружечных плит / Г.Н. Кононов, А. А. Федотов, С. А. Угрюмов // Энциклопедия инженера-химика: научно-практический и справочно-информационный журнал. - М.: Наука и технологии, 2014. - №1. -С. 24-27.
10. Моделирование свойств и процессов прессования реак-топластов: монография / Под общ. ред. А.Н. Обливина. -М.: МГУЛ, 2005. - 284 с.
11. Угрюмов С. А. Технология клееных материалов и древесных плит: учебное пособие / С.А. Угрюмов. - Кострома: КГТУ, 2005. - 72 с.
12. Федотов А.А. Технология производства древесностружечных плит с повышенными физико-механическими свойствами на основе фурфуролацетоно-вого мономера ФА / А.А. Федотов, С.А. Угрюмов // Энциклопедия инженера-химика: научно-практический и справочно-информационный журнал. - М.: Наука и технологии, 2013. - №10. -С. 46-49.
© Р. Т. Хасаншина - магистр каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, [email protected]; Р. Р. Зиатдинов - канд. техн. наук, доцент каф. переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; С. А. Угрюмов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств, Костромской государственный технологический университет, [email protected]; Д. А. Смирнов - асп. каф. лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств, Костромской государственный технологический университет, [email protected]; М. В. Шулаев -д-р техн. наук, проф. каф. химической кибернетики КНИТУ [email protected].
© R. T. Khasnnshina - Master student of the department "Architecture and design of wood" KNRTU, [email protected]; R. R. Ziatdinov - Candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, [email protected]; S. A. Ugrymov - Doctor of technical sciences, professor, head of the department of logging and wood processing industries, Kostroma State University of Technology, [email protected]; D. A. Smirnov - Master student of the department of the department of logging and wood processing industries, Kostroma State University of Technology, [email protected]; M. V. Shulaev - Doctor of technical sciences, professor department of chemical cybernetics KNRTU, [email protected].
