ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
WOOD-PARTICLE COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к области производства древесно-стружечных композиционных материалов, использующихся в качестве конструкционных изделий в строительной, мебельной и в широком спектре других промышленных технологий.
Наиболее распространенным видом относящихся к этому классу композиционных материалов являются древесно-стружечные панели, хорошо известные под аббревиатурой ДСП (см., например, статью КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты) в интернет-энциклопедии «Кругосвет» за 2007 г. по интернет адресу http://slovari.yandex.ru/dict/krugosvet/).
Эти известные древесно-стружечные композиционные материалы и технологии их изготовления имеют значительные недостатки:
- Данный материал и технология его производства являются экологически вредными объектами, поскольку используют в качестве связующего синтетические смолы-олигомеры (в первую очередь, фенолоформальдегидные смолы). Особый экологический вред причиняется при использовании ДСП в домостроительной и мебельной промышленности.
- Время технологической пригодности смеси стружечного наполнителя со смолой-связующим ограничено коротким периодом (часами, максимум - сутками). Это значит, что приготовленная смесь должна быть переработана в изделие до истечения этого периода, в противном случае материал уходит в брак.
- Технология отличается сложностью в эксплуатации и многостадийностью: приготовление смеси, формование изделия, длительная выдержка в печи-реакторе для проведения процесса полимеризации связующего, охлаждение изделия и разборка формы.
- Такие параметры качества ДСП как прочность изделия и его водостойкость низки. Это обусловлено тем обстоятельством, что смола-связующее обволакивает только поверхностный слой стружечного наполнителя и, практически, не проникает в поры древесных волокон.
- Изделия из ДСП относятся к классу пожароопасных материалов
- Применение экологически вредных синтетических связующих в производствах ДСП, аппаратурная сложность изготовления изделия, многостадийность и длительность технологического процесса, экологически опасная утилизация изделий и энергозатраты на проведение названных операций обуславливают экономические негативы производства ДСП.
В 60-е годы прошлого столения были предприняты попытки разработать технологии изготовления древесно-стружечных композиционных материалов без применения в качестве связующего синтетических смол.
Известен древесно-стружечный композиционный материал, содержащий спрессованный древесно-стружечный наполнитель (см. авторское свидетельство SU №233222, кл. B27N 3/02, B27K 9/00, 18.12.1968).
Из этого же патента известен способ изготовления изделий из измельченной древесины или подобного материала без связующего посредством формования с последующим горячим прессованием, при этом формование заготовки в процессе горячего прессования подвергают воздействию газообразного аммиака.
В патенте защищен способ, основанный на пропитке древесностружечного наполнителя аммиаком или его соединениями. В этом способе в ходе горячего прессования связь (склеивание) элементов стружечного наполнителя осуществляется в результате образования аммиачных комплексов древесной массы, которые представляют собой экологически опасную компоненту производимого таким образом композиционного материала. К тому же сам аммиак является очень токсичным и взрывоопасным газом. Таким образом, производство древесно-стружечных композиционных материалов по защищаемому этим патентом способу является экологически вредным и пожароопасным способом, при этом изготовленные по способу материалы характеризуются низкой прочностью и отсутствием водостойкости.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является древесно-стружечный композиционный материал, содержащий спрессованный древесно-стружечный наполнитель и связующее (см. авторское свидетельство SU №197942, кл. B27N 3/02, 09.06.1967).
Из этого же патента известен наиболее близкий к изобретению по технической сущности и достигаемому результату способ изготовления древесно-стружечных композиционных материалов горячим прессованием изделий типа плит, в котором в качестве связующего используют древесную массу из опилок или стружек, измельченных до дисперсности, характеризуемой остатком 1,5-2% на сите 800 мкм, в присутствии воды, составляющей 90-94% от измельченной древесной массы.
Недостатки этого древесно-стружечного композиционного материала и способа его изготовления заключаются в следующем.
В процесс приготовления связующего вводят целый ряд дополнительных сложных, дорогостоящих и энергозатратных операций:
- дробление стружечной массы в молотковой дробилке,
- вибропомол продукта дробления в водной среде при большом избытке воды (гидролиз дробленной массы),
- просеивание на ситах с целью выделения нужной фракции 800 мкм,
- смешение полученного таким образом водно-суспензионного связующего со стружечным наполнителем,
- тепловое удаление большого количества влаги в сушильной камере из изделия после операции прессования.
Полученный таким способом древесно-стружечный композиционный материал характеризуется низкой прочностью и отсутствием водостойкости.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является упрощение технологии изготовления древесно-стружечного композиционного материала и повышение его механических свойств и других характеристик (в частности, водостойкости и пожаробезопасности).
Технический результат заключается в повышении производительности способа изготовления древесно-стружечного композиционного материала, а также в повышении качества изготовленных данным способом древесностружечных композиционных материалов (в частности, ДСП), за счет повышения прочности, водостойкости и пожароустойчивости изготовленных древесно-стружечных композиционных материалов.
В части устройства, как объекта изобретения, указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что древесностружечный композиционный материал содержит спрессованный древесностружечный наполнитель и связующее, при этом материал имеет монолитную, малопористую структуру, характеризующуюся достигаемой плотностью до 2 г/куб.см, толщина стружки от 0,1 до 1,0 мм, при этом поры древесно-стружечного наполнителя полностью заполнены связующим, в качестве которого служат древесные смолистые вещества, выделяющиеся из стружечного наполнителя при его горячем прессовании в процессе изготовления композиционного материала.
В части способа, как объекта изобретения, указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ изготовления древесно-стружечного композиционного материала заключается в том, что прессуют наполнитель в виде древесной стружки в присутствии связующего, при этом используют связующее, выделяющееся из стружки при ее прессовании с давлением 2-5 МПа, при этом пуансон и матрицу пресса предварительно нагревают до температуры 220-300 град С, а процесс горячего прессования проводят в циклическом режиме нагружения.
В ходе проведенного исследования было выявлено, что физико-химический механизм формирования предлагаемого композиционного материала и способа его получения без применения синтетических связующих состоит в том, что в процессе прессования при обозначенных выше конструктивных (плотность и толщина стружки) тепловых и режимных параметрах происходит разрушение клеточных оболочек древесных волокон наполнителя, смолистые вещества (натуральное связующее) выходят в межволоконные поры и затем, полимеризуясь, образуется конечное изделие - монолитный древесно-стружечный композиционный материал.
Принципиальными преимуществами описанного древесно-стружечного композиционного материала и способа его изготовления перед традиционными способами изготовления таких изделий с применением синтетических связующих компонентов и перед приведенными выше аналогом и прототипом являются:
- Предлагаемый способ отличается абсолютной экологичностью как в отношении технологического процесса, так и по качеству конечного изделия (полностью исключены синтетические смолы-связующие).
- Время технологической пригодности исходного стружечного материала, практически, не ограничено, поскольку смолистые вещества древесных волокон (связующее) «законсервированы» внутри клеточных оболочек; существует лишь единственное условие сохранности исходного древесного наполнителя - это исключение процесса его окисления (гниения), т.е. требуется его хранение в сухом проветриваемом помещении.
- Технология реализации предлагаемого способа проста в эксплуатации и осуществляется за короткие времена, по существу, в режиме одностадийного процесса.
- Такие качества полученных предлагаемым способом древесно-стружечных композиционных материалов (в частности, ДСП), как прочность, водостойкость и пожароустойчивость, на порядки превосходят эти параметры традиционных ДСП, поскольку натуральное связующее заполняет внутриклеточные и межклеточные поры древесно-волокнистого наполнителя и придает монолитность конечному изделию.
- Экологически безвредная утилизация отработанных изделий
Все вышесказанное обуславливает значительные экономические преимущества полученным предлагаемым способом древесно-стружечным композиционным материалам.
Пример конкретной реализации способа изготовления древесно-стружечного композиционного материала.
Для реализации предлагаемого способа были использованы в качестве наполнителя сосновые стружечные материалы, взятые из отходов мебельного производства. Характерный размер (длина) стружки составлял порядка 3-10 мм, а толщина от 0,1 до 1,0 мм. Стружка ровным слоем толщиной 5 см укладывалась в матрицу пресса квадратного сечения размером 10 см × 10 см. Матрица и пуансон пресса предварительно нагревались до температур, находящихся в интервале 220-300°C. Засыпка стружки подвергалась сжатию пуансоном пресса до давления 2-5 МПа. Сжатие осуществлялось в 3-х кратном циклическом режиме с периодом 1-2 мин. Полученное изделие толщиной 0,7-1,0 см и плотностью 1,1-2 г/куб см после охлаждения представляло собой конечный продукт, значительно превосходящий аналогичные известные материалы по прочности, водостойкости, пожаробезопасности.
В ходе испытаний было выявлено, что прочность образца на излом, изготовленного по описанному способу, оказалась на порядок выше, чем образца традиционного ДСП. При испытаниях на водостойкость традиционный ДСП разрушился через 0,5 часа пребывания в водяной среде, в то время как образец, изготовленный по описанному способу, не обнаружил следов набухаемости и потери прочности после 10-часового пребывания в воде.
Настоящее изобретение может найти широкое применение - в строительной, мебельной и других отраслях промышленности при производстве древесно-стружечных композиционных материалов, использующихся в качестве конструкционных изделий.