CC BY
13
УДК 674-419.32
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИКАЦИИ ШПОНА В ПРОИЗВОДСТВЕ КЛЕЕНОЙ СЛОИСТОЙ КАРАНДАШНОЙ ДОЩЕЧКИ
А.Г. Гороховский, Е.В. Шадрина
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»,
620100 Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, корп. 3; e-mail: elena_vic_9@mail.ru
В статье рассматривается возможность использования модифицированной древесины березы в производстве карандашной дощечки. Авторы предлагают изменить конструкцию дощечки, выбрать новый теплоноситель для модификации шпона. Новая конструкция дощечки представляет собой клееный материал, который состоит из 4 листов шпона с продольным направлением волокон. В качестве теплоносителя для модификации шпона предлагается использовать органическое масло. Целью модификации шпона является размягчение древесины. Пластичная древесина позволит легко затачивать карандаш. В статье описаны эксперименты по определению влажности и содержанию масла в шпоне после проведения модификации. В статье приведены данные проведенных экспериментов и выполнен их анализ.
Ключевые слова: Модификация шпона, карандашная дощечка, слоистый, клееный, конструкция дощечки, теплоноситель, листы шпона, органическое масло, размягчение древесины, размягченный, затачивать, склеенный с продольным направлением волокон древесины
In this article possibility of using birch veneer in pencil plate manufacturing is considered. The authors suggest to change construction of plate and select the new heat medium for veneer modification. The new construction of laminated plate is a material that consists of 4 sheets of veneer. As a heat medium for the modification of veneer are suggested to use organic oil. The aim of modification is the softening of the wood veneer. The plastic wood will makes it easy to sharpen a pencil. The article describes experiments to determine the moisture and oil content in the veneer after the modification. The experiments and their analysis are made in this article.
Key words: Modification of veneer, the pencil plate, peeling, glued, construction of plate, heat medium, sheets of veneer, organic oil, softening of the wood, plastic, to sharp, laminated
ВВЕДЕНИЕ
Мировые производители карандашей отмечают, что, несмотря на мощное развитие техники, в последние годы наблюдается серьезное увеличение спроса на карандаши в деревянном корпусе (Канцелярское обозрение, 2009).
Древесина для карандашей должна обладать определенными свойствами: быть легкой, мягкой, прочной и малогигроскопичной (Бобрикова, 1975). Этим свойствам отвечает цельная древесина кедра (сибирской сосны), обработанная по традиционной технологии аммиачной водой (для выщелачивания смол и размягчения древесины) и пропитанная парафином (для придания влагостойкости материалу).
В данной работе рассматривается возможность использования модифицированной древесины березы как альтернатива ценнейшей древесине кедра. Во-первых, предлагается принципиально изменить саму конструкцию материала дощечки - выполнить ее клееной из листов лущеного шпона с продольным направлением волокон древесины. Во-вторых, после проведения операций модификации шпона и его склеивания карандашной дощечке планируется придать требуемые чиночные свойства. Новая конструкция позволит более рационально и комплексно использовать древесные ресурсы, снизить себестоимость продукции и получить более стабильный по форме и свойствам материал.
В производстве карандашной дощечки известен способ термообработки древесины в парафине
при температуре 180-250 °С в течение 0,5-60 мин. (Авторское свидетельство, 1993).
В ходе анализа парафина как теплоносителя был выявлен ряд недостатков:
■ данный теплоноситель при различных температурах находится в разных физических состояниях;
■ задымление;
■ выделение неприятного едкого запаха при температуре от 160°С;
■ большая плотность и вязкость, обуславливающая необходимое проникновение в древесину (для эффекта размягчения) либо за счет высокой температуры термообработки (220°С-250°С), либо за счет увеличения ее продолжительности (5-20 мин.).
При рассмотрении недостатков парафина возник вопрос о его замене. Новый теплоноситель должен удовлетворять следующим требованиям: быть экологически чистым, термостойким, химически инертным к древесине и низковязким. Учитывая указанные выше требования, из ряда теплоносителей предлагается рассмотреть высокотемпературное минеральное масло-теплоноситель. По предварительным оценкам сравнения масло использовать выгодно экологически и технологически.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Модификация шпона в среде масла включала в себя следующие операции: подготовка образцов
березового шпона влажностью W=8,4 % толщиной 1,5 мм, их взвешивание, маркировка, формирование пакетов в соответствии с режимами термообработки (1, 2, 3, 4, 5 мин. / 140, 160, 180, 200 °С). Подготовленные пакеты с образцами погружались в металлическую ванну с нагретым в соответствии с режимами маслом, и проводилась термообработка. По окончанию обработки пакеты разбирались, образцы шпона помещались в эксикатор на 1-1,5 часа для охлаждения и выравнивания влажности. Далее образцы взвешивались, высушивались в
сушильном шкафу в течение 4 часов при температуре 100±5°С до постоянной массы, выдерживались в эксикаторе и снова взвешивались. Затем весовым способом определялись влажность и содержание масла в образцах шпона.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Результаты экспериментов по проведению модификации шпона березы приведены в таблице 1, 2.
Таблица 1 - Конечная влажность шпона березы после модификации
Температура масла, °С Влажность шпона после модификации (%) при продолжительности обработки:
1 мин. 2 мин. 3 мин. 4 мин. 5 мин.
140 6,16 4,97 4,56 4,03 3,64
160 4,36 3,05 2,70 2,07 1,01
180 3,04 2,15 1,63 1,46 0,59
200 2,10 1,56 1,45 1,07 0,45
Таблица 2 - Содержание масла в шпоне березы после модификации
Температура масла, Содержание масла в шпоне после модификации (%) при продолжительности обработки:
°С 1 мин. 2 мин. 3 мин. 4 мин. 5 мин.
140 24,00 26,26 26,04 26,98 29,69
160 30,50 31,91 32,83 33,51 33,54
180 27,67 29,77 30,32 30,63 30,84
200 24,98 28,97 29,32 30,24 30,79
Для теоретического изучения процессов нагрева и сушки шпона, а также поглощения им масла в ходе высокотемпературной обработки мы использовали графоаналитический метод решения уравнения Фурье с начальными и граничными условиями III рода (Никитенко, 1971). Начальные и граничные условия III рода включают: породу древесины, толщину шпона, начальную влажность шпона, начальную температуру шпона, температуру среды масла, коэффициент теплообмена и коэффициент влагопроводности.
Нагрев шпона
Нагрев шпона в масле может рассматриваться как конвективный (Ы^-да). Температура на границах толщины образца шпона задана. Пусть ось х направлена вдоль толщины образца, а ее границы расположены в точках Х1=0 и хп=8=0,0015 м. Тогда задача сводится к определению зависимости от времени температуры t в п точках толщины образца шпона, то есть функции двух переменных t (х,т).
Функция t (х,т) должна удовлетворять уравнению теплопроводности:
т д 21
— = а —г, (0<х<8), (1)
д дх
где а - коэффициент температуропроводности,
м2 / с.
Начальные условия:
t (х,0) = /(х), (0<х<8), (2)
Условия на границах толщины образца шпона:
t (0,т) = ф1 (т), t (8,т) = ф2 (т), (т>0) (3)
После преобразований получим следующее разностное уравнение для определения температу-
ры древесины в г-ой точке внутри листа шпона (/+1) момент времени:
( 2а.Ат}
і —V
Ах
■ ґ.. +
( 2 а.. Ат
Ц
Ах2
■( , . + ґ.+, .)
V г-1,Ц І + 1,})
(4)
Для решения указанного выше вычислительного алгоритма была составлена специальная программа в среде МаШСАЭ 14. Исходными данными для расчета данной программы являлись:
• порода древесины (береза);
• толщина шпона (8 = 0,0015 м);
• шаг по толщине шпона (Ах = 0,0015/9 = 0,0017 м);
• шаг по времени (Ат = 0,01 с).
В ходе вычислительного процесса определялись значения следующих параметров:
• коэффициент температуропроводности (а = 1,7-10-7 м2/с (Шубин, 1990);
• начальная температура древесины (^ = 20 °С);
• температура среды (140; 160; 180; 200 °С).
После определения указанных параметров производилось решение УЧП нагрева шпона березы согласно алгоритму (4).
В конкретной версии программы количество точек по толщине шпона, в которых определялась температура, принималось п=10, что предполагает дифференциацию толщины шпона на 9 интервалов. При небольшой толщине шпона такого количество расчетных точек вполне достаточно.
Результаты расчетов УЧП нагрева древесины березы в масле приведены в таблице 3 (рис. 2).
Таблица 3 - Нагрев березового шпона в масле (результаты расчетов)________________________________________________
Температура Средняя температура шпона в процессе термической модификации (°С) при времени обработки (сек.):
сла, °С 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
140 44 99 121 131 136 138 139 140 140 140 140 140 140 140 140 140
160 48 112 137 149 155 158 159 159 160 160 160 160 160 160 160 160
180 52 125 154 168 174 177 179 179 180 180 180 180 180 180 180 180
200 56 139 171 186 193 197 198 199 200 200 200 200 200 200 200 200
Удаление влаги из шпона и поглощение им масла в процессе модификации
Задача по определению в зависимости от времени влажности и и количества масла им в п точках образца шпона также являются функциями двух переменных и (х,т) и им (х,т).
Функции и (х,т) и им (х,т) должны удовлетворять уравнению влагопроводности:
д и = а д 2 и (0<х<8), (5)
дт т д х 2 ’
Разностное уравнение для определения влажности и количества масла в древесине в г-ой точке внутри листа шпона (/+1) момент времени имеет вид:
( 2ат. АТ (2ат.. Ат'
иг .+1 =
1 —
Ах
Ах
ц + +.
(6)
Исходными данными для расчета данной программы являются:
• порода древесины (береза);
• толщина шпона (8 = 0,0015 м);
• шаг по толщине шпона (Ах = 0,0015/5 = 0,003 м);
• шаг по времени (Ат = 0,01 с).
В ходе вычисления определялись значения следующих параметров:
• коэффициент теплообмена для заданных
температур среды
(а=80-10-7; 16010-7; 320-10-7; 640-10-7
Вт/м2-град (Шубин, 1990);
• коэффициент влагопроводности для заданных температур среды
(ат = 5,77-10-9; 8,1210-9; 1,1010-8; 1,4610-8 м2/с);
• начальная температура древесины (^ = 20°С);
• температура среды (140; 160; 180; 200°С);
• начальная влажность шпона (ин = 0,084);
• начальное количество масла в шпоне (ин масла = 0,005);
• равновесная влажность (ир = 0,001 - для сушки шпона,ир = 1,0 - для поглощения шпоном масла (Шубин, 1990).
После определения указанных параметров производилось решение УЧП сушки и поглощения масла древесиной согласно алгоритму (6) раздельно для процесса удаления из шпона влаги и поглощения им масла.
Количество точек по толщине шпона принималось п=6, что предполагает дифференциацию толщины шпона на 5 интервалов. При небольшой толщине шпона такого количество расчетных точек вполне достаточно.
Результаты расчетов УЧП удаления влаги из шпона приведены в таблице 4, поглощения шпоном масла в таблице 5.
Таблица 4 - Влажность шпона березы после модификации (результаты расчетов)
Температура Влажность шпона после модификации (%) при продолжительности обработки:
масла, °С 0 мин. 1 мин. 2 мин. 3 мини 4 мин. 5 мин.
140 8,00 6,10 4,80 3,80 3,00 2,30
160 7,90 4,90 3,20 2,10 1,30 0,90
180 7,70 3,40 1,60 0,80 0,40 0,20
200 7,50 2,00 0,60 0,20 0,10 0,10
Таблица 5 - Содержание масла в шпоне березы после модификации (результаты расчетов)
Температура Содержание масла в шпоне после модификации (%) при продолжительности обработки:
масла, °С 0 мин. 1 мин. 2 мин. 3 мин. 4 мин. 5 мин.
140 5,40 27,60 43,40 55,80 65,50 73,00
160 4,20 27,50 44,40 57,30 67,50 74,90
180 3,30 27,50 45,10 58,40 68,50 76,10
200 2,70 27,60 45,70 59,20 69,40 77,00
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В ходе термической модификации березового шпона в масле его нагрев происходит за первые 57 сек. независимо от режимной температуры масла.
Пример распределения температур по толщине шпона приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Распределение температур по толщине шпона при температуре обработки 140°С в период 7 секунд
Общие результаты расчетов нагрева шпона для заданных температур обработки приведены на рисунке 2 за первые 15 сек.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12131415 Продолжительность обработки шпона в масле,
140 "С
160 "С
- 180 °С ------- 200 °С
Рисунок 2 - Нагрев березового шпона в масле
Как видно из рисунка 3, при увеличении температуры и времени термообработки конечная влажность березового шпона уменьшается как по результатам экспериментов, так и по результатам теоретических расчетов. Разница между данными эксперимента и расчетными данными незначительная и составляет в среднем 2-3 %.
Термообработка шпона в масле имеет особенность - отсутствие влагообмена между теплоносителем и погруженной в него древесиной. Сушка шпона происходит при температуре масла выше температуры точки кипения воды. Внутри древесины вследствие кипения влаги создается избыточное давление, под действием которого пар выходит в атмосферу, преодолевая сопротивление древесины и слоя масла над материалом (Кречетов, 1980) (это сопровождается образованием пены на поверхности масла). Разложение компонентов древесины идет очень медленно, и на стадии 140-
160 °С химический состав древесины практически не изменяется (Никитин, 1962).
На рисунке 4 приведены результаты поглощения шпоном масла за период от 0 до 5 мин. При увеличении продолжительности термической модификации процентное содержание масла в образцах березового шпона увеличивается. Это можно объяснить следующим. После погружения образца шпона в масло происходит быстрый прогрев тонкого слоя древесины. С увеличением времени термообработки при заданной температуре масло, проникая в древесину, заполняет ее поры и накапливается в них, замещая удаленную влагу.
Появление привеса масла в образцах объясняется его пропиткой за счет капиллярного впитывания и диффузии. Однако, по результатам экспериментов при повышенных температурах (180, 200 °С) содержание масла в шпоне незначительно уменьшается. Вероятно, это обуславливается некоторой усушкой (примерно 4-5 %) древесины и испарением легких фракций самого масла из древесины. Результаты исследований подтверждают, что максимальная температура высокотемпературной стадии не должна превышать 200 °С, иначе древесина начинает весьма значительно терять в прочности. Разница между данными эксперимента и расчетными данными в период от 0 до 1 мин. незначительная и составляет в среднем 35 %. В период с 1 до 5 мин. разница в теоретических и экспериментальных показателях увеличивается. На наш взгляд это обуславливается тем, что уравнение влагообмена достаточно точно описывает процессы массопереноса масла в гигроскопической области, а за ее пределами поглощение масла практически не наблюдается (в исследуемых временных и температурных периодах). В то время как в теории процесс поглощения идет столь же интенсивно. Об этом косвенно свидетельствует достаточно «чистая» поверхность шпона после его пропитки маслом и хорошая смачиваемость ее клеем на основе ПВАД.
Следует также предположить, что в процессе модификации древесины происходит изменение ее химического состава, а именно, частичное разрушение лигнина и целлюлозы, блокировка гидроксильных групп, а также наполнение системы субмикроскопи-ческих капилляров древесины маслом. Данные явления снижают сорбционную способность древесины в процессе модификации и обуславливают ее предельность насыщения маслом.
Особенностью проведенных нами экспериментов является использование тонких слоев древесины (шпона) в качестве объекта термической модификации в масле. Нашей целью является снижение прочностных характеристик древесины для улучшения чиночных свойств будущей клееной карандашной дощечки. Потеря прочности древесины при обработке в масле является основным фактором улучшения чи-ночных свойств дощечки.
На основании проведенного анализа полученных результатов можно рекомендовать следующие режимные параметры модификации березового шпона:
• температура масла - 160-200 °С;
• продолжительность обработки - 1-2 минуты.
345
Содержание міслїв шпоне в процесса обработки
_ — — м to ьо ьо
0^0 vi О О U1
ЪЪЪЪЪЪЪЪ
Содержание маслав шпоне в процессе обработки,
V>
— — N N ЬО ЬО
OvbOvbQviOvt
Содержи«« місл і в шпоне в процессе оЄрібопя,
Vo
Р- — м со ы ы
о WI о WI о <ы>1 о WI
ъъъъъъъъ
Содержание масла в шпоне в процессе обработки
_ — — М N bl U
О^О^О^О'-г
ЪЪЪЪЪЪЪ'Ь
Хвойные бореальной зоны, XXX, № 3 - 4, 2012
$ 8J.UU I 7П.00 0
« бэ,оо S
3 S3/» *
§ 43,00 К
I 33,00 о
23.00
13.00
а
3,00
01
*V>v¡о
4 > *43,40 "55, S0
j*
' '7 60_ — ¿1
У "" 2-1.00 7.6,7.6 76,04
/
/
80,00
70.00
60.00
50.00
40.00
I 30.00
и
20,00
10.00
0;1
0,00
73,00
25,69
мн. 4иш їм Время обработки.
^58,50
✓ * 58,40
4 S 45.1C
✓ ✓ У
/ ¿гтуґ 27,67 29.77 ЮЛ?- 30.63
/
76,10
50,00
30,84
"69,40
59,20
s '45,70
s s ✓
/ 24,98 28,97 29,32 30,24
/
С/ f QfiQ
7,00
0,79
Оьин. IhMH. 2ьин Зьин ¿ьин 5 Вра*я обработки.
Оьин. Іьмн. 2ьин.
Зьин. 4ьин. 5 Время обработки,
Рисунок 4 - Содержание масла в шпоне после модификации: а - при 140°С, б - при 160°С, в - при 180°С, г - при 200°С
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
Бобрикова, Т.И., Ершов Д.П. Производство карандашей // Томск: Западно-Сибирское книжное издательство, 1975. - 217 с.
Дружинин, А.В. Мороз Д.А. Способ получения карандашной дощечки // А.с. 181825 3А1 сСсР, МКИ3 В 43 К 19/16, N4936742/12, заявл. 16. 05. 91, опубл. 30. 05. 93, Бюл. N20. 4 с.
Кречетов, И.В. Сушка древесины // М.: Лесная промышленность, 1980. - 432 с.
Никитин, Н.И. Химия древесины и целлюлозы // М.-Л.: АН СССР, 1962. - 367 с.
Никитенко, Н.И. Исследование нестационарных процессов тепло- и массообмена методом сеток // Киев: Наукова Думка,1971. - 268 с.
Старый знакомый карандаш // Канцелярское обозрение (журнал). 2009. 23 октября.
Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины // М.: Лесная промышленность, 1990. - 336 с.
б
а
в
г
Поступила в редакцию 12 марта 2012 г. Принята к печати 7 сентября 2012 г.
