Планирование и реализация эксперимента для оценки влияния технологических факторов на свойства композиционной фанеры

ПЛАНИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОЙ ФАНЕРЫ

С.А. УГРЮМОВ, доц. каф. МТДКГТУ, А.А. СМИРНОВ, асп. каф. МТД КГТУ

Создание композиционных материалов позволяет эффективно утилизировать образующиеся отходы производства, что способствует комплексному и более рациональному использованию сырья. При этом в ряде случаев можно не только снижать материалоемкость продукции и более полно использовать отходы производства и низкосортное сырье, но и придавать продукции комплекс желаемых свойств.

В конструкциях композиционных древесных материалов имеется возможность использования не только древесины в различных ее видах, но и целлюлозосодержащего сырья растительного происхождения, например, отходов льнопере-рабатывающей промышленности - костры льна.

Для оценки влияния технологических факторов на физико-механические показатели композиционной фанеры с внутренним слоем на основе костры льна спланирован и реализован В-план второго порядка.

На качественные показатели древесных материалов оказывают влияние множество факторов - качество подготовки исходного сырья (влажность, фракционный размер частиц, форма частиц и т. д.), количество клеевого состава в структуре плиты, режимные факторы прессования и множество других факторов.

Как отмечается в научной литературе, наиболее существенное влияние на свойства плит оказывают следующие факторы:

1. Температура прессования, поскольку от этого показателя зависит глубина отверждения функциональных групп применяемой смолы.

2. Количество связующего и плотность внутреннего слоя, т.к. от этого показателя зависит прочность соединения частиц наполнителя друг с другом.

Данные факторы в эксперименте приняты в качестве управляемых. Уровни варьирования этих факторов выбраны исходя из рекомендаций производства традиционных материалов на основе кар-бамидоформальдегидных смол (фанеры и древесностружечных плит) [1, 2] и представлены в табл. 1.

Матрица планирования эксперимента с выходными величинами представлена в табл. 2.

Изготовление экспериментальных образцов номинальной толщиной 10 мм производилось в следующей последовательности:

1. Отбор партии костры льна на 1-2 запрессовки.

2. Сортировка костры на ситах-анализаторах.

3. Сушка костры до влажности 3 % и шпона до влажности 7-10 % .

4. Приготовление связующего, состоящего из карбамидоформальдегидной смолы КФ-Н-66Ф и отвердителя в количестве 1 % к массе абсолютно сухой смолы.

5. Охлаждение костры льна и шпона для предотвращения преждевременного отверждения связующего.

6. Осмоление наполнителя до образования равномерной массы.

7. Формирование пакетов фанеры, при этом в наружных слоях применяется по 2 листа березового шпона толщиной 1,5 мм с взаимно перпендикулярным направлением волокон в смежных слоях.

9. Загрузка пакетов в пресс П-100-400 и прессование фанеры в соответствии с режимами опытов.

10. Размыкание плит пресса, выгрузка фанеры, ее охлаждение и кондиционирование в течение 24 часов, раскрой на образцы для проведения испытаний.

Таблица 1

Управляемые факторы и уровни их варьирования

Наименование факторов Обозначение факторов Интервал Уровень варьирования

натуральное кодированное варьирования нижний

1. Плотность внутреннего слоя, кг/м3 Р 100 600 700 800

2. Количество связующего во внутреннем слое, % К см. X2 5 15 20 25

3. Температура прессования, ОС Т X3 15 130 145 160

Таблица 2

Матрица планирования с выходными величинами

№ п/п Управляемые факторы в кодированном обозначении Управляемые факторы в натуральном обозначении Предел прочности при изгибе, а , МПа ' и' Разбухание по толщине, Р, % Водопоглощение, Ш , %

Х1 Х3 Р, кг/м3 К , см? % Т, °С значения дублированных опытов среднее значение значения дублированных опытов среднее значение значения дубли-рован-ных опытов среднее значение

1 +1 +1 +1 800 25 160 52,13 55,00 48,00 51,71 10,13 12,24 8,55 10,31 30,27 41,10 52,18 41,18

2 -1 +1 +1 600 25 160 48,76 45,41 51,95 48,71 10,51 8,94 11,89 10,45 40,63 41,67 49,62 43,97

3 +1 -1 +1 800 15 160 40,42 42,77 38,71 40,63 15,01 16,66 14,39 15,35 64,28 58,34 59,26 60,63

4 -1 -1 +1 600 15 160 31,21 35,62 40,01 35,61 14,85 15,21 16,48 15,51 62,35 70,18 77,48 70,00

5 +1 +1 -1 800 25 130 50,43 55,92 60,08 55,48 10,85 12,47 12,38 11,90 62,09 63,34 70,23 65,22

6 -1 +1 -1 600 25 130 48,44 52,42 56,52 52,46 7,92 7,51 5,00 6,81 54,91 51,61 52,31 52,94

7 +1 -1 -1 800 15 130 32,74 38,06 43,57 38,12 13,38 14,29 13,27 13,65 47,01 41,32 49,83 46,05

8 -1 -1 -1 600 15 130 30,18 31,24 32,06 31,16 16,01 15,96 16,92 16,30 71,13 71,35 63,79 68,76

9 +1 0 0 800 20 145 53,18 60,21 67,05 60,15 9,44 10,99 11,33 10,59 71,76 72,68 75,40 73,28

10 -1 0 0 600 20 145 52,13 55,47 58,04 55,21 13,53 14,70 12,31 13,51 57,00 63,48 59,72 60,07

11 0 +1 0 700 25 145 68,92 73,51 77,54 73,32 8,43 9,47 8,94 8,95 39,25 43,96 41,52 41,58

12 0 -1 0 700 15 145 46,07 50,15 53,98 50,07 13,72 14,37 13,91 14,00 46,94 50,06 50,18 49,06

13 0 0 +1 700 20 160 42,16 45,37 47,76 45,10 7,15 9,02 10,52 8,90 43,28 47,12 48,05 46,15

14 0 0 +1 700 20 130 35,57 40,68 46,02 40,76 9,36 9,52 8,25 9,04 52,57 49,48 50,70 50,92

Коэффициенты уравнений регрессии определялись в соответствии с рекомендациями [3]. Полученные значения коэффициентов представлены в табл.3.

После отбрасывания незначимых коэффициентов уравнения регрессии примут вид:

- для предела прочности при статическом

изгибе

У1 = 59,04 + 2,29Х1 + 8,61Х2 - 16,10Х32 - 1,81ХХ3,

- для разбухания по толщине

Г2 = 9,98 - 2,64Х2 + 2,07Х12 + + 1,50Х22 - Х32 + 0,97ХхХ2,

- для водопоглощения

73 = 52,23 - 4,96Х2 - 2,20Х3 + 14,46Х12 -- 6,89Х22 - 3,67Х32 + 5,20Х1Х, - 6,10^^. После математических преобразований уравнения регрессии в натуральных обозначениях примут вид:

Таблица 3

Расчет коэффициентов уравнения регрессии и оценка их значимости

Коэф-фици-ент Значение коэффициентов для предела прочности при изгибе Критическое значение коэффициентов Значимость Значение коэффициентов для разбухания Критическое значение коэффициентов Значимость Значение коэффициентов для водопогло-щения Критическое значение коэффициентов Значимость

в0 59,04 3,13 значим 9,98 0,85 значим 52,23 3,51 значим

в 2,29 1,55 значим -0,08 0,42 не значим -0,94 1,74 не значим

в2 8,61 1,55 значим -2,64 0,42 значим -4,96 1,74 значим

в3 0,38 1,55 не значим 0,28 0,42 не значим -2,20 1,74 значим

в„ 1,35 3,13 не значим 2,07 0,85 значим 14,46 3,51 значим

в22 2,67 3,13 не значим 1,50 0,85 значим -6,89 3,51 значим

в33 -16,1 3,13 значим -1,00 0,85 значим -3,67 3,51 значим

в,2 -0,74 1,74 не значим 0,97 0,47 значим 5,20 1,95 значим

в23 -1,81 1,74 значим 0,14 0,47 не значим -6,10 1,95 значим

в.3 -0,24 1,74 не значим -0,34 0,47 не значим -0,22 1,95 не значим

- для предела прочности при статическом изгибе

о = - 1565,87 + 0,02 Р + 5,22 К +

и ' ' ' см

+ 21,23 Т - 0,07 Т2- 0,024 К Т,

см

- для разбухания по толщине

Р = 79,69 - 4,29 К - 0,24 Р + 1,29 Т +

5 ' ' см '

+ 0,002 К Р + 0,06 К 2 - 0,004 Т2 ,

см см

- для водопоглощения

= 478,91 - 2,23 Р - 7,50 К +

вд ' ' 'см

+ 6,21 Т + 0,01 К Р - 0,08 К Т +

см см

+ 0,001 Р2 - 0,28 К 2 - 0,02 Т2.

см

Выводы

1. Композиционная фанера по основной характеристике материала - пределу прочности при статическом изгибе - удовлетворяет требованиям ГОСТ 3916-96 на фанеру общего назначения. Ее физические показатели - разбухание по толщине и водопоглощение - соответствуют требованиям ГОСТ 10632-89 на древесностружечные плиты.

2. Анализ полученных математических моделей показал, что оптимальными условиями прессования композиционной фанеры являются такие, когда плотность внутреннего слоя и температура прессования находятся на основном

уровне, а количество добавляемого связующего во внутренний слой - на верхнем, т.е. когда Р = 600 кг/м3, К = 25 %, Т = 145 оС.

7 см 7

3. Из анализа уравнений регрессии видно, что наиболее значимым из факторов, влияющих на свойства композиционный фанеры, является количество добавляемого связующего.

4. Композиционная фанера является экономически эффективным материалом, т.к. при достаточно невысоких затратах на производство имеет прочностные характеристики на уровне характеристик фанеры общего назначения. По сравнению с фанерой композиционный материал имеет лучшие тепло- и звукоизоляционные свойства, однако более восприимчив к действию воды. Как конструкционный материал композиционная фанера ни в чем не уступает фанере общего назначения.

Библиографический список

1. Справочник по производству фанеры / А.А. Веселов, Л.Г. Галюк, Ю.Г. Доронин и др.: под ред. Н.В. Качалина. - М.: Лесная пром-сть, 1984. - 432 с.

2. Отлев, И.А. Справочник по производству древесностружечных плит - 2-е изд. / И.А. Отлев, Ц.Б. Штейнберг, Л.С. Отлева. - М: Лесная пром-сть,1990.- 384 с.

3. Пижурин, А.А. Исследования процессов деревообработки / А.А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесная пром-сть,1984. - 231 с.