CC BY
64
УДК 674.815
A. Ю. Балашкина, Н. С. Баулина, О. Ф. Шишлов,
B. В. Глухих
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ С ФЕНОЛКАРДАНОЛФОРМАЛЬДЕГИДНЫМИ СВЯЗУЮЩИМИ
Ключевые слова: древесностружечные плиты, фенолкарданолформальдегидные связующие, технологические факторы.
Приведены результаты исследований влияния на свойства древесностружечных плит (ДСтП) технологических факторов (температуры и продолжительности горячего прессования, расхода фенолкарданол-формальдегидной смолы и карбоната натрия). Статистическими методами определены и проанализированы уравнения регрессии. Найдены рациональные значения технологических факторов для получения водостойких ДСтП, соответствующих требованиям российского и европейского стандартов.
Keywords: particleboards, phenol-cardanol-formaldehyde resins, technology factors.
The results of studies of influence on properties particleboards (PB) technology factors (temperature and duration of hot pressing, the expense phenol-cardanol-formaldehyde resins and a sodium carbonate). The statistical methods defines and analyses the regress equations. Rational values of technology factors for manufacturing moisture resistant PB, requirements Russian and European standards are found.
Введение при синтезе в состав резольных фенолформальдегидных смол карданола (мета-алкилфенола растительного происхождения) приводит к повышению их скорости отверждения [1]. Однако фенолкарданолформальдегидные смолы (ФКФС) по скорости отверждения уступают карба-мидоформальдегидным смолам, что при переходе на производство древесностружечных плит (ДСтП) с фенольными связующими вынуждает увеличивать продолжительность стадии горячего прессования и приводит к потере производительности технологической линии. Известно [2,3], что одним из эффективных способов повышения скорости отверждения фенолформальдегидных смол является введение в состав связующих специальных добавок.
Предварительными исследованиями было установлено, что одним из наиболее эффективных ускорителей отверждения ФКФС является карбонат натрия (Ма2СО3).
Целью данной работы являлось изучение влияния на свойства ДСтП технологических факторов получения однослойных плит с фенолкарда-нолформальдегидными связующими, содержащими карбонат натрия.
Экспериментальная часть
Связующие для получения ДСтП получали смешением с 20 %-ным водным раствором карбоната натрия квалификации «Ч» промышленного образца фенолкарданолформальдегидной смолы марки СФЖ-3014К-П, полученной в ОАО «Уралхим-пласт» при замене 10 % мас. синтетического фенола на карданол. Смола СФЖ-3014К-П имела следующие свойства:
массовая доля нелетучих веществ, % - 48,3; вязкость по ВЗ-246 (сопло 4 мм), с -39; массовая доля свободного фенола, % - 0,01; массовая доля свободного карданола, % -0; массовая доля свободного формальдегида, % - 0; массовая доля щелочи, % - 6,2;
время желатинизации, мин (1=98,8±0,10 оС, масса навески смолы 10,5г) - 35.
Лабораторные образцы однослойных ДСтП толщиной 16 мм с расчетной плотностью 750 кг/м3 получали из стружки смеси лиственных и хвойных пород древесины в массовом соотношении 90:10. При этом при двухступенчатом горячем прессовании на первой ступени максимальное давление и продолжительность прессования во всех опытах были постоянными и составляли соответственно 2,5 МПа и 3 минуты. На второй ступени горячего прессования давление прессования было 1,4 МПа, а продолжительность выдержки изменялась в соответствии с планом эксперимента.
Для изучения влияния технологических факторов на свойства однослойных древесностружечных плит (ДСтП) был проведен четырехфакторный эксперимент по композиционному плану Бокса
- Уилсона с двукратным повторением опытов [4]. Выбор входных факторов и областей их изменения были основаны на проведенных ранее исследованиях и литературных данных. Области изменения входных факторов представлены в таблице 1.
За выходные параметры были взяты следующие свойства ДСтП:
У1 - количество выделяющегося формальдегида по методу WKI при 60 °С в течение 4 ч, мг/100г;
у2 -прочность при изгибе (ои), МПа у3 - разбухание по толщине за 2 ч; % отн.;
У4 - разбухание по толщине за 24 ч; % отн.; у5 - водопоглощение за 24ч; % мас.;
У6 -прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты (ор), МПа.
Для получения экспериментально-
статистических моделей свойств ДСтП был проведен регрессионный анализ полученных результатов эксперимента. Экспериментально-статистические
модели свойства ДСтП представлялись в виде следующего полинома второй степени:
у - bo + biZi +b2Z2 + ... + bjZj + ... +bkZk + bi2Zi2 +
... bi-ijZi-iZi + ... +bk-l,kZk-1Zk +
+ biiZii + ... +biiZii + ...+ bkkZkk, где b0 - свободный член, b1, b2, .., bk - коэффициенты, оценивающие влияние входных факторов; Z1, Z2, ..., Zk - натуральные значения входных факторов.
Таблица 1 - Области изменения входных факторов
Входные факторы (Z) Натуральные значения входных факторов при их следующих нормализованных значениях (х)
Но- мер, i Название Температура -1,471 -1 0 +1 1,471
1 горячего прессования, оС Содержание Ма2ОО3 в свя- 140 146 160 174 180
2 зующем, % мас. от абсолютно сухой смолы Общая про- 0 0,8 2,5 4,2 5,0
3 должительность прессования, мин. Расход связующего, % мас. абсолют- 4,0 5,3 8,0 10,7 12,0
4 но сухой смолы от абсолютно сухой стружки 8,0 10,7 12,0 14,7 16,0
По результатам регрессионного анализа по максимальному значению коэффициента детерминации (Я2) были выбраны следующие адекватные уравнения регрессии, имеющие значимые эффекты влияния входных факторов и описывающие экспериментальные данные с доверительными вероятностями Р > 0,95:
у1= 1°,29 - °,°537 (Я2 = 0,31);
У2= °°Ы27-1 + °,5123 (Я2 = 0,99);
Уз= 88,11 - 10,5432, + °,3563242 (Я2 = 0,74); У4= 12°,°6 - 0,75322 - 14,85724 + °,5142 2,2 (Я2 = 0,87);
у5= 19°,38 - 17,91624 +0,6127242 (Я2 = 0,57) у6= °,12472з -°,°°562з2 (Я2 = 0,95).
Полученные уравнения регрессии показывают, что в исследованной области факторного пространства наблюдаются адекватные одно- (У1, у3, у5, у6) и двухфакторные (у2, у4) зависимости влияния технологических факторов на свойства ДСтП.
Из однофакторной линейной зависимости для у1 следует, что уменьшение выделения формальдегида из плит достоверно зависит от повышения температуры горячего прессования, но это влияние слабое, так как изменчивость у1 связана с
2
данным фактором только на 31 % (Я = 0,31), а остальную долю влияния оказывают случайные (нерегулируемые в эксперименте) факторы.
В однофакторных полиноминальных уравнениях регрессии (у3, у5, у6) влияние факторов на свойства ДСтП сильное (у3 и у6) и средней силы (у5). В этих зависимостях существуют точки экстремумов: точки максимума для у6 и минимума для у3 и у5.
В двухфакторных зависимостях у2 и у4 влияние факторов на свойства ДСтП сильное. Зависимость прочности ДСтП при изгибе от значений факторов имеет линейный характер, а зависимость разбухания плит в воде за 24 ч нелинейная.
Прочность ДСтП при изгибе возрастает при увеличении температуры и продолжительности горячего прессования. По величине стандартизованных регрессионных коэффициентов и частных коэффициентов линейной корреляции Г2[.2и [5] можно считать, что изменение температуры горячего прессования оказывает на прочность плит при изгибе более сильное влияние ф21 = 0,72 и Г2123 = 0,89), чем продолжительность горячего прессования (в23 =
0,28 и Г2321 = 0,61).
Построенные по результатам дисперсионного анализа графики взвешенных средних (рис. 1) с доверительной вероятностью 0,95 показывают, что повышение температуры горячего прессования от 140 до 180 оС приводит к пропорциональному росту средних прочности ДСтП при изгибе от 12 до 18 МПа. Изменение продолжительности горячего прессования от 4 до 10,7 минут тоже дает увеличение средних прочности ДСтП при изгибе до 16 МПа и эта величина не меняются при дальнейшем увеличении значений этого фактора до 12 минут.
X
Рис. 1 - Взвешенные средние значения прочности ДСтП при значениях факторов: температура (■) и продолжительность (•) горячего прессования
Из двухфакторной нелинейной зависимости у4 следует, что разбухание ДСтП в воде за 24 ч значительно снижается до 70 % (при постоянном содержании карбоната натрия) при увеличении расхода смолы от 8 до 14 % (рис. 2) и практически не меняется при более высоких значениях этого фактора. Увеличение содержания карбоната натрия в связующем от 0 до 5 % приводит к пропорциональному снижению разбухания плит в воде за 24 ч до 27 % (при постоянном расходе смолы).
Рис. 2 - Зависимость разбухания ДСтП в воде за 24 ч от расхода и состава связующего на основе смолы СФЖ-3014К-П
Для поиска рациональных значений технологических факторов, обеспечивающие получение водостойких однослойных ДСтП с показателями свойств, соответствующих современным российским и европейским требованиям, в качестве целевой функции было взято уравнение регрессии для у4 (разбухание плит в воде за 24 ч), которое анализировалось симплексным методом для поиска минимума при следующих ограничениях других свойств ДСтП:
- количество выделяющегося формальдегида по методу WKI не более 4 мг/100 г;
- прочность при изгибе не менее 13 МПа;
- прочность при разрыве перпендикулярно пласти не менее 0,35 МПа;
- разбухание по толщине за 2 часа не более 12 %;
- разбухание по толщине за 24 часа не более 10 %.
Результаты расчетов показали, что при условии выполнения ограничений минимальное значение разбухания ДСтП в воде за 24 ч достигается при следующих условиях: температура горячего прессования - 140 оС; общая продолжительность горячего прессования - 7,2 минуты; расход смолы СФЖ-3014К-П - 14,4 %; содержание карбоната натрия в связующем - 5 %.
При найденных рациональных значениях технологических факторов по традиционной методике были получены четыре лабораторных образца однослойных ДСтП. Значения ожидаемых по уравнениям регрессии и полученных средних арифметических значений фактических результатов приведены в таблице 2.
Данные таблицы 2 показывают хорошее соответствие между расчетными и фактическими значениями показателей свойств ДСтП.
Таблица 2 - Показатели свойств ДСтП
Показатель Расчетное Фактический
свойств значение результат
Количество выде-
ляющегося фор-
мальдегида (по ме- 2,8 3,0
тоду WKI при 60 оС
в течение 4 часов)
Прочность при из- 13 15
гибе, МПа
Прочность при рас-
тяжении перпенди- 0,61 0,68
кулярно к пласти
плиты, МПа
Разбухание в воде
по толщине за 2 10 11
часа, %
Разбухание в воде
по толщине за 24 9 10
часа, %
Водопоглощение за 59 68
24 часа, %
Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
в форме полиноминальных уравнений регрессии получены закономерности влияния некоторых технологических факторов на свойства однослойных ДСтП с фенолкарданолформальдегидными связующими, содержащими карбонат натрия;
найдены рациональные значения технологических факторов, позволяющие получать водостойкие ДСтП, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10632-2007 и европейского стандарта EN 312.
Литература
1. Glukhikh, V. Aushartungsverhalten von Phenol-Cardanol-Formaldehyd-Harzen / V.Glukhikh, O.Shishlov, J.Talbiersky // Holztechnologie. - 2010. - V. 51. - No 1. - S. 22-26.
2. Кондратьев, В.П. Синтетические клеи для древесных материалов. / В. П.Кондратьев, В. И.Кондращенко. - М.: Научный мир, 2004. - 520с.
3. Phenolic Resins: A Century of Progress / Ed.: L.Pilato. Heidelberg, Dordrecht, London, New York: Springer, 2010.
- 545 p.
4. Ахназарова, С.Л. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии / С.Л.Ахназарова, В.В.Кафаров. - М.: Высш. шк., 1985. - 327 с.
5. Халафян, А.А. STATISTICA 6. Статистический анализ данных / А.А.Халафян. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2008. 512 с.
© А. Ю. Балашкина - магистрант каф. ТПС Уральского гос. лесотехн. ун-та, expedition@rambler.ru; Н. С. Баулина - вед. инж. ОАО «Уралхимпласт»; О. Ф. Шишлов - канд. техн. наук, директор ОАО «Уралхимпласт»; В. В. Глухих - д-р техн. наук, проф. ТПС Уральского гос. лесотехн. ун-та.
