CC BY
58
Хвойные бореальной зоны, XXXVII, № 5 - 6, 2016
УДК 674.817-41
РАЗРАБОТКА РЕЖИМА ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ ПЛИТ БЕЗ СВЯЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ
С. Н. Казицин, В. Н. Ермолин, М. А. Баяндин, А.В. Намятов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, пр.Мира, 82 E-mail: [email protected]
Древесные отходы, образующиеся при переработке древесного сырья, по удельному весу и степени распространения занимают одно из первых мест среди других видов отходов. Одним из наиболее объемных видов отходов являются древесные опилки направления использования, которых крайне ограничены. В качестве технологии для использования древесных опилок в данной работе принята технология получение плитных материалов из механоактивированных древесных опилок без связующих веществ. В основе данной технологии положена подготовка (механоактивация) древесных частиц путем гидродинамической обработки, которая позволяет получить мелкодисперсную фракцию в составе пресс массы размером до 1 мкм и повышенным содержанием активных центров на их поверхности. Технология получения плит без связующих веществ, включает в себя стадию горячего прессования, которая определяет качество выпускаемых плит и производительность оборудования. Поэтому в данной работе для изучения стадии горячего прессования были проведены экспериментальные исследования с целью определения влияния технологических факторов на процесс горячего прессования плит без связующих веществ из механоактивированных древесных частиц.
В результате проведенных исследований были получены уравнения регрессии, описывающие зависимости физико-механических свойств плит без связующих веществ из механоактивированных древесных частиц от режимных параметров горячего прессования. Проведена оптимизация и определены параметры горячего прессования: влажность пресс массы - 197 %, температура горячего прессования - 220 °С, продолжительность горячего прессования - 2,3 мин/ мм. Плиты без связующих веществ, полученные при оптимальных условиях технологического процесса прессования, показали следующие результаты: предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты - 1,1 МПа; предел прочности при изгибе - 27 МПа; разбухание по толщине за 24 ч - 21 %.
Ключевые слова: древесные плиты, адгезия, горячее прессование, опилки, связующее, древесные отходы, прочность.
Wooden wastes appearing after wood raw material processing take the 1st place among the other wastes in their specific gravity and the degree of spread. One of the most volumetric kinds of wastes is the sawdust the usage of which is extremely limited. The technology of obtaining of binderless boards from mechanically activated sawdust is accepted as the technology of the sawdust usage. In the base of this technology is the preparation (mechanical activation) of wood-based particles by means of hydro-dynamical processing that allows to obtain the fine dispersive fraction in the composition of press-mass of the size up to 1 ^m and having the increased content of the active centres on their surface. The technology of binderless boards includes the stage of hot pressing that determine the quality of the boards and the equipment productivity. Thus the article shows the experimental study aiming the determination of the technological factors influence on the hot pressing process.
As the result of the conducted researches there were obtained the equations of regression describing the dependence of physical-mechanical characteristics of binderless boards obtained from mechanically activated particles on pressing regime parameters.
The optimization was done and the pressing parameters were determined: press-mass humidity - 197 %, hot pressing temperature - 220 °C, hot pressing duration - 2.3 min/mm.
Binderless boards obtained under optimal conditions of the technological process showed the following results: strength limit on tension perpendicular to the board face - 1.1 MPa; strength limit on bending - 27 MPa; thickness swelling for 24 h. - 21 %.
Keywords: wood boards, adhesion, hot pressing, sawdust, binder, wood waste, strength.
ВВЕДЕНИЕ
Рациональное использование отходов имеет большое значение для дальнейшего развития экономики страны как источник дополнительных материальных ресурсов, как фактор снижения себестоимости продукции и увеличения темпов роста производства. Древесные отходы, образующиеся при переработке древесного сырья, по удельному весу и степени распространения занимают одно из первых мест среди других видов отходов (Коротаев, 1974). Основной источник образования опилок - лесопильное производство, в котором выход опилок составляет около 11 % всего объема распиливаемого сырья (Колесникова, 2013; Миронов, 2001). Сфера использования данных отходов крайне ограничены (Центр экономики леса и
природопользования, 2011; Отливанчик, 1968; Мол-дин, 1977; Пучков, 1990; Ребрин, 1982).
Наиболее эффективным решением изложенных выше проблем является разработка новой технологии, которая позволит производить из неликвидных отходов деревообработки конкурентоспособные на рынке древесные материалы с высокой добавленной стоимостью. Одной из таких технологий является получение плитных материалов из механоактивированных древесных опилок без связующего (Баяндин и др., 2013, 2015). Как показали проведенные нами исследования гидродинамическая обработка позволяет получить мелкодисперсную фракцию в составе пресс массы размером до 1 мкм и повышенным содержанием активных центров на их поверхности, способные образовывать адгезионные взаимодействия. Гидродинамическая обработка опи-
лок позволяет получить плиты без связующих по физико-механическим свойствам превосходящие плиты не подвергавшиеся данной обработки в 8 и более раз.
Технология получения плит без связующих включает в себя стадию горячего прессования, которая определяет качество выпускаемых плит и производительность оборудования. Поэтому в данной работе для её изучения были проведены экспериментальные исследования с целью определения влияния технологических факторов на процесс горячего прессования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения экспериментов использовались древесные опилки сосновой породы, полученные на лесопильной раме Р-63. Исходная влажность опилок составляла 56 % и фракционный состав: 20/10 - 0,1 %, 10/7 - 0,7 %, 7/5 - 0,9 %, 5/3 - 12,8 %, 3/2 - 4,4 %, 2/1 - 46,1 %, 1/0,5 - 32,4 %, 0,5/0,25 - 2,4 %. Опилки содержали примеси коры в количестве около 3 % от их общего объема. Обработка опилок осуществлялась в гидродинамическом диспергаторе с эффектом кавитации марки РГГД-1 с частотой вращения ротора 2950 об/мин. На основании исследований нами был принят следующий режим обработки: концентрация опилок в воде в абсолютно сухом состоянии 6 %, продолжительность обработки велась до степени помола 60 0ШР. После обработки из полученной пресс массы брали навеску для получения плит с плотностью 800 кг/м3 и формировали пакет в пресс-форме с сетчатым дном путем механического отжима до требуемой абсолютной влажности. Далее сформированный пакет на металлической сетке укладывался на металлический поддон. Сверху ковер также накрывался сеткой и поддоном. Толщина плит задавалась дистанционными прокладками. Сформированный таким образом пакет загружался в лабораторный горячий пресс.
На физико-механические свойства готовых плит влияет ряд факторов процесса горячего прессования (Солечник, 1963; Шварцман, 1962).
В качестве варьируемых были приняты три основных и сравнительно легко управляемых фактора (таблица 1).
От влажности пресс массы зависит режим прессования, а также направление протекание физико-химических процессов. Чем меньше влажность, тем меньше возможность образования адгезионных контактов между древесными частицами и, таким образом ниже прочность и водостойкость (Карасев, 1986). При повышенной влажности пресс массы увеличивается продолжительность прессования, что снижает производительность оборудования. На основании предварительных исследований была принята минимальная влажность принята 170 %, а максимальная 210 %. Температура и продолжительность определяют глубину физико-химических процессов при горячем прессовании (Бекетов, 1988). При малых значениях продолжительности и температуры физико-химические изменения в древесине проходят достаточно медленно и не в полном объеме, а также повышается остаточная влажность после прессования, что приводит к увеличению брака из-за расслоения и низких физико-механических
показателей. Чрезмерное увеличение температуры и продолжительности прессования приводит к снижению прочности и появлению резкого запаха, свидетельствующего о термической деструкции материала.
Постоянные факторы: порода древесины - сосна; степень помола прессмассы - 60 0ШР; давление прессования отжим/сушка - 4,8/1 МПа; толщина плит - 4 мм; продолжительность технологической выдержки - 24 ч; прессование проводилось в две фазы (отжим/сушка).
Таблица 1 - Основные факторы и уровни их варьирования
Уровни варьирования
Наименование фактора
Вшшшслъ пресх массы, п ш 190 210 20
W, %
Темнература плш щххса, ^ 180 200 220 20
Продолжительно сть прессования, t, мин/мм
X3 2,3 2,56 2,82 0,26
Для получения экспериментальных данных использовался В3 - план. Изменение физико-механических свойств плит без связующих веществ, изготовленных из активированных сосновых опилок, определяли по показателям: пределу прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты ораст, МПа (71); предел прочности при изгибе а г МПа (72); разбухание по толщине за 24 ч, V, % (73). Методика эксперимента и обработка результатов проводилась согласно (Пен, 1982; Пижурин, 1988).
По результатам исследований и обработки экспериментальных данных были получены следующие уравнения регрессии:
Зависимость предела прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты У1 = 1,12 + 0,021*Х1 - 0,017*Х3 - 0,0425*Х1*Х2 - 0,065*Х1*Х3 -0,02*Х2*Х3 - 0,041*Х3Л2
Зависимость предела прочности при изгибе У2 = 27,5385 - 1,0*Х1 + 1,46*Х2 + 1,26*Х3 -2,37692*Х1Л2 -0,9375*Х1*Х2 + 2,12308*Х2А2 + 0,6125*Х2*Х3
Зависимость разбухания по толщине
У3 = 26,15 - 3,69*Х2 - 0,77*Х3 + 0,55*Х1*Х2 -1,42*Х3А2
В соответствии с полученными уравнениями для каждой выходной величины были построены зависимости в виде поверхностей отклика, которые представлены на рисунках 1, 2, 3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ полученных результатов (рисунок 1а) указывает на то, что при увеличении влажности пакета и при снижении продолжительности прессования проч-
Хвойные бореальной зоны, XXXVII, № 5 - 6, 2016
ность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты увеличивается. По мнению авторов работы (Карасев, 1986) это вызвано тем, что в процессе прессования при максимальной влажности пакета содержание воздуха в нем минимально, поэтому при удалении воды и сближении древесных частиц внутри и между ними возникает больше межмолекулярных водородных связей, чем при меньшей влажности пакета. Снижение прочности при максимальной влажности при увеличении продолжительности прессования вызвано, вероятно, протеканием процесса гидролиза центральной части плиты с деструкцией молекулярных цепей целлюлозы и ослабление их поперечных связей (Солечник, 1963; Бекетов, 1988). Температура прессования на прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты не оказывает существенного влияния (ри сунок 1б).
X3
X3
Рисунок 1 - Зависимость предела прочности плит без связующих при растяжении перпендикулярно к пласти плиты от а) влажности пакета и продолжительности прессования б) температуры и продолжительности прессования
32
сч 30 >- 28 26 24 1
-1 -1
X1
34 32 2 30 28 26 1
„„-0,6 „„ -0,2 02
0,6 , X3
Рисунок 2 - Зависимость предела прочности плит без связующих при изгибе от
а) влажности пакета и температуры прессования
б) температуры и продолжительности прессования
X2
1 -1
0,2
■0,6-02 X3
Рисунок 3 - Зависимость разбухания по толщине плит без связующих от температуры и продолжительности прессования
На показатель прочности при изгибе (рисунок 2а) плит без связующих большее влияние оказывает температура прессования. Так с увеличением температуры до среднего уровня варьирования прирост прочности минимальный, а при дальнейшем повышении температуры наблюдается резкое возрастание показателя прочности. Влияние влажности пакета на предел прочности при изгибе носит экстремальный характер, с максимальным показателем прочности на основном уровне варьирования. Повышение продолжительности прессования способствует увеличению предела прочности на изгиб (рисунок 2б). Наибольшее значение прочности при изгибе достигается при максимальных значениях температуры и продолжительности прессования.
Разбухание по толщине определяется значениями температуры и продолжительностью прессования. С увеличением температуры величина разбухания снижается, достигая минимального значения при максимальной температуре. Наименьшим разбуханием характеризуются плиты, полученные при максимальных значениях температуры и продолжительности. Это, вероятно, связано с интенсивной пьезотермиче-ской обработкой наружных слоев плит, в результате которой происходит образование физико-химических связей с высокой энергией взаимодействия.
Для определения оптимального режима горячего прессования воспользовались универсальным мате-магическим процессором MathCAD.
В качестве параметров оптимизации процесса прессования плит без связующих были выбраны следующие характеристики: предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты (о ), предел прочности при изгибе (сшг) и разбухание по толщине за 24 ч. (V).
Для решения задачи по определению оптимальных параметров процесса прессования были приняты следующие условия: Y1 max; Y2 max; Y3 min. При следующих ограничениях: ошг>13 МПа; V<20 %; 170 % <W< 210 %; 180 0C <T< 220°C; 2,3 мин/мм <t< 2,83 мин/мм
В результате решения поставленной задачи были определены оптимальные натуральные значения варьируемых переменных для процесса прессования плит без связующих:
- влажность пресс массы W =197 %;
- температура горячего прессования T=220 0С;
- продолжительность горячего прессования t=2,3 мин/мм.
При этом выходные параметры принимают следующие аналитические значения:
- предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты с =1,13 МПа;
А раст. ^ 7
- предел прочности при изгибе сшг =29 МПа;
- разбухание по толщине за 24 ч V =20 %.
Плиты без связующих веществ, полученные при
оптимальных условиях технологического процесса прессования, имели следующие физико-механические свойства:
- предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты с =1,1 МПа;
раст.
- предел прочности при изгибе сшг =27 МПа;
- разбухание по толщине за 24 ч V =21 %.
ВЫВОДЫ
Исследованные параметры горячего прессования плит без связующих веществ оказывают существенное влияние на протекание физико-химических процессов при формировании данных плит и в итоге определяют их физико-механические свойства.
Изменение влажности пресс массы в большей степени сказывается на пределе прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты. Повышение влажности способствует увеличению данного показателя за счет образования большего числа межволоконных сил связи в процессе горячего прессования. Максимальные значения температуры и продолжительности горячего прессования определяют наилучшие показатели предела прочности при изгибе и разбухания по толщине. Это связано с интенсивной пьезотермической обработкой наружных слоев плит, в результате которой происходит образование физико-химических связей с высокой энергией взаимодействия.
Было установлено, что плиты полученные при оптимальных значениях технологических параметров горячего прессования: влажность пресс массы - 197 %, температура плит пресса - 220 0С, продолжительность прессования - 2,3 мин/мм имели следующие физико-механические свойства: предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты -1,1 МПа, предел прочности при изгибе - 27 МПа, разбухание по толщине за 24 ч - 21 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Баяндин, М.А. Влияние мелкодисперсных фракций на формирование свойств древесных плит без связующего
[Текст] / М. А. Баяндин, В. Н. Ермолин, С. Н. Казицин и
др. // Хвойные бореальные зоны: Теоретический и научно-практический журнал. Красноярск: СибГТУ - 2015
- Том 33 - №3-4. С. 182-185.
Баяндин, М.А. Влияние механоактивации на аутогези-онные свойства древесины [Текст] / М.А. Баяндин,
B.Н. Ермолин, С.Г. Елисеев. // Хвойные бореальные зоны: Теоретический и научно-практический журнал. Красноярск: СибГТУ - 2013 - Том 31 - №1-2. С. 159-163.
Бекетов, В.Д. Повышение эффективности производства древесноволокнистых плит [Текст] / В. Д. Бекетов. - М.: Лесн.пром-ть, 1988. - 160 с.
Карасев, Е.И. Водостойкость древесноволокнистых плит [Текст] / Е. И. Карасев, И.Ю. Киселев, Е.Д. Мерсов, Г.В. Киселева: Обзор. Информ. - М.: ВНИПИЭИле-спром, 1986. - 32 с.
Колесникова, А.В. Оценка объемов образования древесных отходов в Российской Федерации и анализ их использования [Текст] / А. В. Колесникова // Экономика природопользования : обзорная информация - 2013. - №6.
- С. 54-71.
Коротаев, Э. И. Использование древесных опилок [Текст] / Э. И. Коротаев, М. И. Клименко. - М. : Лесная промышленность, 1974. - 144 с.
Миронов, Г.С. Комплексное использование древесины. Переработка вторичных древесных ресурсов [Текст]: Учебное пособие для студентов специальности 260100 всех форм обучения / Г. С. Миронов. - Красноярск: СибГТУ, 2001 - 70 с.
Молдин, Б.Д. Производство древесностружечных плит [Текст] / Б.Д. Молдин, И.А. Отлев. - М.: « Высш. школа», 1977. - 199 с.
Научно-исследовательский и аналитический центр экономики леса и природопользования [Электронный ресурс]. - М.; 2011. - Режим доступа: http://www. umocpartner.ru.
Отливанчик, А.Н. Новый вид плит из органического сырья [Текст] / А.Н. Отливанчик, В.П. Миронов, Г.Д. Демаки-на // Деревообрабатывающая промышленность - 1968.
- № 8. - С. 5 - 6.
Пен, Р.З. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства [Текст] / Р.З. Пен. - Красноярск, 1982. - 192 с.
Пижурин, А.А. Основы моделирования и оптимизации процессов деревообработки [Текст] / А.А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесн. пром-сть, 1988. - 295 с.
Пучков, Б.В. Измельчение древесных отходов для производства древесных плит [Текст] / Б.В. Пучков // Деревообрабатывающая промышленность - 1990. - № 10.
C. 33-35.
Ребрин, С.П. Технология древесноволокнистых плит [Текст] / С.П. Ребрин, Е.Д. Мерсов, В.Г. Евдокимов. -М.: Лесн.пром-ть, 1982.-272 с.
Солечник, Н.Я. Производство древесно-волокнистых плит [Текст]: Учебное пособие для вузов / Н. Я. Солечник -М.: ГОСЛЕСБУМИЗДАТ, 1963. - 326 с.
Шварцман, Г.М. Физико-механические свойства стружечных плит [Текст] / Г. М. Шварцман. - М.: Гослесбумиз-дат, 1962. - 42 с.
Поступила в редакцию 25.05.16 Принята к печати 29.12.16
