CC BY
36
Химия растительного сырья. 2012. №4. С. 215-219.
УДК 676.1.054.1
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗМОЛА НА СВОЙСТВА ТРУДНОВОСПЛАМЕНЯЕМЫХ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ
© А.В. Антонов1, Н.А. Петрушева2, А.П. Чижов2, Ю.Д. Алашкевич1,3
1 Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия), e-mail: [email protected] 2'Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, 662543 (Россия), e-mail: [email protected]
3Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск 660049 (Россия)
В работе представлены результаты исследований по установлению зависимости физико-механических свойств трудновоспламеняемых древесноволокнистых плит от технологических и конструктивных параметров процесса размола, Результаты исследований направлены на решение проблемы снижения пожарной опасности древесноволокнистых плит при условии сохранения физико-механических свойств готовой продукции на требуемом уровне,
Ключевые слова: древесноволокнистая плита, пожарная опасность, предел прочности при статическом изгибе, водопоглощение, математическое описание,
Введение
Свойства древесных плит обусловлены капиллярно-пористой структурой исходной древесины, химическим составом древесинного вещества, природой связующего и зависят от технологии переработки древесного сырья в готовую продукцию. Основные компоненты древесного волокна участвуют в образовании ДВП, выполняя при этом свои функции.
В работе Н.Г. Чистовой [1] было представлено условное структурообразование плиты, согласно которому плита состоит из армирующих микроструктуру волокон, образующих пространственную сетку, поры которой заполнены неволокнистыми компонентами, мелкодисперсной волокнистой фракцией, воздухом и водой. Армирующие волокна имеют различную форму в сечении (круглую, эллиптическую и лентообразную) и значительную дисперсность по длине.
Согласно данной теории [1] неволокнистые компоненты оказывают влияние на степень связанности
____ волокон и прочность межволоконных связей. Неволокнистые компоненты, входящие в состав плиты, по способности образовывать адгезионные связи можно подразделить на пассивные (наполнители) и активные
АнтоновАлександрВикторович - аспирант, тел.: (391) 249-47-28, e-mail: [email protected] Петрушева Надежда Александровна - доцент, кандидаттехническихнаук, тел.: (39145)6-28-03, e-mail: petrusheva-n@mail ru (связующие). Частицы пассивных неволокнистых
Чижов Александр Петрович - доцент, кандидат компонентов, попадая между армирующими волокна-
техническихнаук, тел.: (39145) 6-28-03, ми, затрудняют их сближение в процессе формования
e-mail: ap_chizov@mail ru полотна и не образуют адгезионных связей с волок-
Алашкевич Юрий Давыдович - заведующий кафедрой ном. Поэтому они в значительной степени оказывают
МАПТ, профессор, доктор технических наук, тел.: (3912) 27-34-53, e-mail: [email protected]
влияние на величину относительной связанной по-
* Автор, с которым следует вести переписку,
верхности армирующих структуру волокон. Активные неволокнистые компоненты и мелкодисперсная фракция волокна образуют адгезионные и когезионные связи с армирующими структуру волокнами, тем самым увеличивают связанную поверхность волокон. В результате в плите образуются дополнительные связи «волокно - связующее - волокно», «волокно - мелкодисперсная фракция волокна - волокно».
Поскольку в предложенной модели структуры плиты межволоконные контакты имеют связи адгезионного и когезионного характера, то определяющие их параметры: удельная прочность и энергия разрушения межволоконных контактов будут зависеть от количества и свойств введенных неволокнистых компонентов и мелковолокнистой фракции.
Мелкая фракция, при ее тепловой или химической обработке, обладает повышенной гидрофильно-стью. В процессе формования они быстрее и полнее, чем высокомолекулярные, адсорбируют воду и выступают в качестве пластификаторов каркасных цепей, предотвращая разрыв связей между ними.
Под влиянием возникающих при отливе и прессовании усадочных напряжений происходит сближение волокон и фибрилл, а между близко расположенными структурными элементами - листа - блоками срастания - устанавливаются связи. Стянутая структура полотна фиксируется за счет стеклования целлюлозы и других полимерных компонентов плитообразующих волокон (гемицеллюлоз, лигнина), для которых при прессовании происходит аналогичное изменение их физического состояния.
Вспученный вермикулит - минерал, который предлагается вводить в структуру древесноволокнистой плиты с целью снижения ее пожарной опасности, является, естественно, неволокнистым компонентом, а следуя предложенной классификации, частицы вспученного вермикулита можно отнести к пассивным неволокнистым компонентам, которые оказывают значительное влияние на образование связей в плите, а, следовательно, и на физико-механические свойства плиты. В связи с этим можно предположить, что древесноволокнистая масса для производства плит со сниженной пожарной опасностью должна характеризоваться более длинными волокнами, так как определенное количество мелкой фракции, обеспечивающей увеличение показателя общей площади, на которой устанавливаются связи, будет замещено частицами минерала. Также очевидно, что размер частиц вводимого неволокнистого компонента будет оказывать оп-ределенное влияние на свойства готовой продукции. Однако представленные теоретические предположения необходимо подтвердить экспериментальным путем.
В настоящей работе для решения поставленной задачи были использованы методы математического планирования с целью получения математического описания процесса размола древесноволокнистой массы при изготовления древесноволокнистых плит со сниженной пожарной опасностью.
Экспериментальная часть
В производстве ДВП имеет место одновременное протекание химических, теплофизических, механических и других процессов, воздействующих на очень сложную по составу и свойствам среду - древесину, смешанную с химикатами. Это делает бесперспективными попытки классическими аналитическими методами вывести количественные закономерности процессов, необходимые для оптимизации технологического режима и алгоритмизации процессов управления производством.
Наиболее предпочтительным для определения влияния основных конструктивных и технологических параметров размольного оборудования на физико-механические характеристики готовой древесноволокнистой плиты и для обеспечения достоверного математического описания объекта является многофак-торный эксперимент, так как он позволяет при переходе к каждому последующему опыту варьировать все или почти все факторы одновременно [2].
В данной работе для построения математической модели процесса, проверки ее адекватности и для оценки влияния на процесс каждого учитываемого технологического фактора использован регрессионный анализ - метод, который позволяет устанавливать значения факторов и диапазоны их варьирования по своему усмотрению, не нарушая хода технологического процесса, согласно техническим характеристикам применяемого оборудования, требованиям стандартов к готовой продукции и т.п. Для получения регрессионных зависимостей был реализован В-план второго порядка.
Управляемые и контролируемые параметры многофакторного эксперимента приведены в таблице 1.
Значения уровней и интервалы варьирования факторов представлены в таблицах 2 и 3. Верхний, нижний и основной уровни варьирования фактора Ь/И соответствуют 90, 10 и 50% износу сегментов гарнитуры размалывающих машин.
Таблица 1. Параметры многофакторного эксперимента
Параметр Обозначение
натуральное нормализованное
Входные параметры (управляемые факторы)
Износ сегментов Ь/к Х1
Зазор между дисками, мм I х2
Скорость вращения нижнего шнека, об/мин п Хз
Концентрация древесноволокнистой массы, % с Хз
Массовая доля вспученного вермикулита, % к а.с.в. а>е Х4
Выходные параметры (контролируемые факторы)
Прочность древесноволокнистых плит, МПа @изг У1
Водопоглощение за 24 ч, % £ у2
Толщина, мм Ь Уз
Таблица 2. Уровни и интервалы варьирования факторов для дефибратора
Наименование фактора Уровни фактора Интервал
верхнии нижнии основной варьирования
Износ сегментов 10 2 6 4
Зазор между дисками, мм 0,15 0,05 0,1 0,05
Скорость вращения нижнего шнека, об/мин 15,4 12 13,7 1,7
Массовая доля вспученного вермикулита, % к а.с.в. 50 10 30 20
Таблица 3. Уровни и интервалы варьирования факторов для рафинатора
Наименование фактора Уровни фактора Интервал
верхнии нижнии основной варьирования
Износ сегментов 10 2 6 4
Зазор между дисками, мм 0,15 0,05 0,1 0,05
Концентрация древесноволокнистой массы, % 3,5 2,5 3 0,5
Массовая доля вспученного вермикулита, % к а.с.в. 50 10 30 20
К неконтролируемым факторам эксперимента относились не указанные выше геометрические и физико-механические характеристики процесса.
Таким образом, программа экспериментальных исследований состояла из двух разделов:
1) планирование и реализация многофакторных исследований по определению зависимости прочности ст^г, водопоглощения за 24 ч S, толщины древесноволокнистых плит Ь от массовой доли вспученного вермикулита, конструктивных и технологических параметров дефибратора в виде функциональных зависимостей:
аизг = f (Ь/к, I, п, те); (1)
£ = f (Ь/к, I, п, те); (2)
Ь = f (Ь/к, I, п, те); (3)
2) планирование и реализация многофакторных исследований по определению зависимости прочности а1Ег, водопоглощения за 24 ч £, толщины древесноволокнистых плит Ь от массовой доли вспученного вермикулита, конструктивных и технологических параметров рафинатора в виде функциональных зависимостей:
аизг = f (Ь/к, I, с, те); (4)
£ = f (Ь/к, I, с, те); (5)
Ь = f (Ь/к, I, с, те). (6)
Исследования по размолу древесноволокнистых полуфабрикатов осуществлялись на промышленных установках завода ДВП ОАО «Лесосибирский ЛДК №1», а также на экспериментальных и полупромышленных установках лаборатории лесоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и химической технологии древесины Лесосибирского филиала СибГТУ.
В качестве исходного сырья для получения древесноволокнистой массы использовались исключительно древесные отходы лесопильного производства и низкокачественная древесина со склада сырья, породного состава 93±3,4% хвойных пород.
Для придания древесноволокнистым плитам специальных свойств в качестве наполнителя применяли вспученный вермикулит.
Размерные и физико-механические характеристики готовой плиты (толщина, предел прочности при статическом изгибе, водопоглощение) определялись по ГОСТу 19592-80 «Плиты древесноволокнистые. Методы испытаний».
Обсуждениерезультатов
В результате реализации многофакторного эксперимента были получены математические модели с нор -мализованными обозначениями факторов, отражающие влияние каждого исследуемого фактора на выходные величины в отдельности с учетом парных взаимодействий факторов друг на друга и на выходную величину.
Зависимости прочности, водопоглощения за 24 ч, толщины древесноволокнистых плит от массовой доли вспученного вермикулита, конструктивных и технологических параметров дефибратора следующие:
Уг = 33, 67 + 0,1Хг + 0,24Х2 - 0,213Х3 - 0,78Х4 + 0,4X/ - 0,12Х32 +
+ 0,24Х/ + 0,38ХгХ2 - 0,67ХгХ4 - 0,2Х2Х3 + 0,42ХХ4;
У2 = 14,21 - 1,37Хг + 1,26Х2 + 0,7Х3 + 0,6Х4 - 1,5Х/ - 0,33Х22 + 0,85Х42 -
- 0,8ХгХ2 + 0,12ХгХ3 - 0,24ХгХ4 + 0,24Х2Х3 - 0,5 ХХ - 0,53ХХ4; (8)
У3 = 2,4 - 0,2Хг - 0,15Х3 + 0,33Х22 + 0,16Х32 + 0,1Х42 + 0,14ХгХ2. (9)
Зависимости прочности, водопоглощения за 24 ч, толщины древесноволокнистых плит от массовой доли вспученного вермикулита, конструктивных и технологических параметров рафинатора:
Уг = 37,8 + 1,1Хг - 4,27Х4 - 1,5Х22 + 0,23Х32 + 0,6Х42 - 0,32ХгХ2 + + 0,42ХгХ3 - 0,8ХгХ4 + 0,52Х2Х4 - 0,1Х3Х4;
(10)
У2 = 13,76 + 0,18Хг + 0,2Х2 + 5,34Х4 - 1,36Хг2 - 0,26Х22 - 0,2Х32 + 0,8Х42 - 1,04Х3Х4; (11)
У3 = 2,4 - 0,2Хг - 0,15Х3 + 0,33Х22 + 0,16Х32 + 0,1Х42 + 0,14ХгХ2. (12)
Оценка математических уравнений показала, что в процессе размола технологической щепы и при размоле древесного волокна на второй ступени размола в производстве трудновоспламеняемых ДВП трудно выделить конструктивный или технологический фактор, оказывающий одинаково сильное влияние на все выходные величины. Полученные в результате обработки экспериментальных данных уравнения учитывают не только влияние конструктивных и технологических параметров размалывающих машин на интересующие нас свойства древесноволокнистых плит. Наличие независимой переменной Х4 в каждом (7-12) уравнении в линейном, квадратичном виде либо в парном взаимодействии говорит о несомненной зависимости выходных характеристик от варьирования данного фактора. Влияние фактора, который соответствует массовой доле вермикулита в древесноволокнистой композиции, на выбранные выходные величины проявляется в разной степени в зависимости от знака и величины коэффициента, стоящего перед ним.
Анализ приведенных зависимостей показывает, что наибольшее влияние на исследуемые показатели оказывает величина зазора между дисками как на дефибраторе, так и на рафинаторе. Для показателя прочности ДВП большое значение будет иметь также и скорость вращения нижнего шнека размольного агрегата, так как достижение максимальных значений прочности возможно лишь при определенной степени разработанности древесноволокнистой массы, что требует увеличение продолжительности размола. Концентрация массы перед рафинатором имеет наибольшее влияние на величину водопоглощения плит. Увеличение массовой доли вермикулита ухудшает значения водопоглощения независимо от варьирования других факторов.
Увеличение износа сегментов размалывающей гарнитуры приводит к снижению толщины плит и повышению зазора между дисками рафинатора, даже при увеличении массовой доли вермикулита в древесноволокнистой композиции, также приводит к снижению толщины плит. Эти явления можно объяснить
тем, что при малом износе сегментов размалывающей гарнитуры рафинатора волокна грубо разработанной на первой ступени древесной массы в большей степени подвергается режущему воздействию, не успевая при этом разделиться на отдельные волокна и фибриллироваться. С течением времени, когда кромки ножей несколько сглаживаются, помимо рубки волокно истирается и мнется, полученная масса имеет наиболее ровный фракционный состав. В то же время при увеличении зазора между размалывающими дисками происходит гидратация волокон, уменьшается их укорочение. Все это позволяет улучшить качество отлива и формирования ковра, процесс прессования плит и положительно сказывается на качественных параметрах готовой продукции.
Выводы
Полученные в работе уравнения, описывающие исследуемые процессы подготовки древесноволокнистых материалов, адекватны и, на наш взгляд, позволяют прогнозировать получение качественных древесноволокнистых плит со сниженной пожарной опасностью в зависимости от установленных режимов процесса размола. При известных значениях массовой доли вспученного вермикулита в древесноволокнистой композиции и, варьируя значения конструктивных и технологических параметров размалывающих установок, возможно не только понизить группу горючести плит по ГОСТу 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» до уровня трудновоспламеняемых, но и поддерживать физико-механические и геометрические показатели твердых древесноволокнистых плит в пределах требований ГОСТа 4598-86 «Плиты древесноволокнистые. Технические условия».
Список литературы
1. Чистова Н.Г. Переработка древесных отходов в технологическом процессе производства древесноволокнистых плит : дис. ... д-ра техн. наук. Красноярск, 2010. 414 с.
2. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. М., 1984. 232 с.
Поступило в редакцию 7 июня 2012 г.
Antonov A.V.1*, Petrusheva N.A.2, Chizhov A.P.2, Alashkevich Y.D.13 EFFECT OF TECHNOLOGICAL AND DESIGN PARAMETERS ON THE PROPERTIES OF GRINDING INFLAMMABLE RIBREBOARD
1Siberian State University of Technology, 82, Mira Street, Krasnoyarsk, 660049, (Russia), e-mail: [email protected] 2Lesosibirsk brunch of Siberian State University of Technology, 29, Pobeda Street, Lesosibirsk, 662543 (Russia) e-mail: [email protected]
3Institute of Chemistry and Chemical Technology SB RAS, K. Marx str., 42, Krasnoyarsk, 660049 (Russia)
The results of studies on the establishment of dependence of physical-mechanical properties of flame-retardant hard-board on the technological and design parameters of the process of grinding are presented in the article. The results of research aimed at addressing fire risk reduction fiberboard while maintaining the physical and mechanical properties of the finished product at the required level.
Keywords: fiberboard, fire danger, the ultimate strength in static bending strength, water absorption, the mathematical description.
References
1. Chistova N.G. Pererabotka drevesnykh otkhodov a tekhnologicheskom protsesse proizvodstva drevesnovoloknistykh plit: dis. ... dokt. tekhn. nauk. [Processing of wood waste and the process of production of fibreboard: Doctor of Science Thesis]. Krasnoyarsk, 2010, 414 p. (in Russ.).
2. Pizhurin A.A., Rozenblit M.S. Issledovanie protsessov derevoobrabotki. [Investigation of the processes of woodworking]. Moscow, 1984, 232 p. (in Russ.).
Received June 7, 2012
* Corresponding author.
