Оптимизация технологических параметров в производстве древесностружечных плит на основе маломольных смол с использованием стружки из отходов некондиционной древесины

УДК 674.816.3 Г.П. Плотникова, С.В. Денисов

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ НА ОСНОВЕ МАЛОМОЛЬНЫХ СМОЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРУЖКИ ИЗ ОТХОДОВ НЕКОНДИЦИОННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

В статье выявлены основные закономерности влияния технологических факторов при производстве древесно-стружечных плит с использованием в составе сырья отходов некондиционной древесины на их качественные показатели и эффективность технологии.

Ключевые слова: древесно-стружечные плиты, отходы, некондиционная древесина, оптимизация, математическая модель.

G.P. Plotnikova, S.V. Denisov

TECHNOLOGICAL PARAMETER OPTIMISATION IN PRODUCTION OF WOOD-CHIP BOARDS ON THE BASIS OF MOLAR-POOR RESINS WITH APPLICATION OF CHIPS MADE OF SUBSTANDARD WOOD WASTE

Basic laws of the technological factor influence in production of the wood-chip boards with use of substandard wood waste as a part of raw materials on their quality indicators and the technology efficiency are revealed in the article.

Key words: wood-chip boards, waste, substandard wood, optimization, mathematical model.

Плитные предприятия на сегодняшний день испытывают острый дефицит сырьевой базы. Эту проблему руководители заводов пытаются решить в администрации округов, областей, краев, но, как правило, нерезультативно. Поэтому увеличение номенклатуры используемого сырья для производства плит без снижения качества последних представляется на сегодняшний день наиболее интересным. Первоочередное направление развития производства древесно-стружечных плит в настоящее время видится в более полном использовании низкосортной древесины и отходов сопутствующих производств, а также отходов заготовок, гниющих на нижних складах.

Цель работы - исследование возможности применения некондиционного сырья - отходов, не соответствующих требованиям на сырье для производства плитных материалов и гниющих на нижних складах деревообрабатывающих предприятий.

Результаты экспериментов по изучению возможности применения некондиционных отходов в качестве части сырья внутреннего слоя (Б слоя) древесно-стружечных плит бесподдонного способа прессования явились основанием для дальнейших исследований по разработке оптимальных режимов производства. Предлагаемая стружечно-клеевая композиция должна отвечать современным требованиям производства и эксплуатации и обеспечивать соответствие физико-механических показателей требованиям международных и отечественных стандартов.

В настоящей работе исследована технология и разработаны оптимальные режимы изготовления древесно-стружечных плит на основе стружечно-клеевой композиции следующего состава: стружка, полученная из некондиционной древесины, стружка, полученная из технологической щепы ПС, стружки-отхода от оци-линдровки с применением в качестве связующего низкомольмой карбамидоформальдегидной смолы.

Для построения математической модели описания процесса прессования ДСтП использован регрессионный анализ. Для получения регрессионных зависимостей был реализован композиционный б-план второго порядка. Переменные факторы экспериментов (табл. 1-2) выбраны исходя из реальных условий производства плит и задач, поставленных в данной работе.

В качестве выходных величин были приняты качественные показатели готовой продукции, зависящие от характеристики стружечно-клеевого состава внутреннего слоя:

Г) - предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти образцов ДСтП (сг±), МПа;

Г2 - разбухание по толщине за 24 ч образцов ДСтП, %.

Варьируемые технологические факторы:

X - содержание стружки из некондиционного сырья в составе внутреннего слоя, %;

Х2 - содержание парафиновой эмульсии во внутреннем слое, % по раствору связующего;

Х3 - продолжительность цикла прессования, т1, мин.

В качестве постоянных факторов при проведении исследований выбраны следующие показатели: порода древесины - 100% сосна; содержание стружки от оцилиндровки во внутреннем слое - 20%; давление прессования - 2,3-2,4 МПа; температура прессования 195±5 град; расход связующего:

- для наружных слоев 12,0-14,7% по сухому остатку смолы;

- для внутреннего слоя 8,0-10,0% по сухому остатку смолы.

Влажность стружечно-клеевой композиции:

- для наружных слоев 8-11%;

- для внутреннего слоя 6-8%.

В табл. 1 представлены варьируемые факторы в натуральном и кодовом обозначении, их уровни и интервалы варьирования.

Таблица 1

Переменные факторы и уровни их варьирования

Наименование фактора Кодовое обозначение Нижний уровень Основной уровень Верхний уровень Интервал варьирования

Содержание некондиционного сырья от массы внутреннего слоя, % X і 10 25 40 15

Содержание парафиновой эмульсии во внутреннем слое, мас.ч. X 2 0 3 6 3

Продолжительность прессования, т1, мин X3 5 4,5 4 0,5

Матрица планирования эксперимента по В-композиционному плану второго порядка и результаты средних значений экспериментальных исследований приведены в табл. 2.

Таблица 2

Матрица планирования и результаты средних значений экспериментальных исследований

№ опы- X і X 2 Xз Ух. о-±. МПа ^2 ,

та % % Т1 ,мин %

1 -1 10 -1 0 -1 5 0,31 31

2 +1 40 -1 0 -1 5 0,3 33

3 -1 10 +1 6 -1 5 0,27 25

4 +1 40 +1 6 -1 5 0,26 26

5 -1 10 -1 0 +1 4 0,35 29

6 +1 40 -1 0 +1 4 0,33 30

7 -1 10 +1 6 +1 4 0,29 22

8 +1 40 +1 6 +1 4 0,29 23

9 -1 10 0 3 0 4,5 0,37 24

10 +1 40 0 3 0 4,5 0,36 28

11 0 25 -1 0 0 4,5 0,41 20

12 0 25 +1 6 0 4,5 0,32 17

13 0 25 0 3 -1 5 0,32 21

14 0 25 0 3 +1 4 0,39 19

Примечание. Предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти согласно ГОСТ 10632-2007 и ЕН 312. Ч.2-3 [6-8] для древесно-стружечных плит марки П-Б составляет не ниже 0,24 МПа, марки П-А - не ниже 0,35 МПа; разбухание образцов по толщине за 24 ч для марки П-Б составляет не выше 30%, для марки П-А -не выше 20%.

В результате обработки экспериментальных данных и после оценки значимости коэффициентов регрессии уравнения функций отклика имеют следующий вид:

1) для предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти:

=0,3925 — 0,027 Х2 + 0,019 -0,027Х{ -0,021X1 ~ 0,031 Х~ ;

2) для разбухания по толщине за 24 ч:

= 18,57 + 0,9Х1 - ЗХ2 - 1,3 Х3 + 7,44Х? + 1,44

Вычисленное по уравнению регрессии значение выходной величины почти всегда отличается от измеренного в опытах.

Расчетный критерий Фишера равен:

Ррасчразрыв. = 1,68; Ррасчразбух. = 1,19;

Ртабл разрыв. = 2,7; Ртаблразбух. = 2,7.

Полученное соотношение Fрасч < Ртабл. позволяет принять гипотезу об адекватности регрессионной модели.

По полученным уравнениям регрессии были построены графические зависимости. Математическое описание зависимости предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти образцов ДСтП представлено графически на рис. 1-2.

Содержание некондиционного сырья, %

Рис. 1. Влияние содержания стружки из некондиционного сырья во внутреннем слое и продолжительности прессования на прочность ДСтП при растяжении перпендикулярно пласти

По результатам, представленным на рис.1, можно сделать выводы, что максимальное значение прочности при растяжении перпендикулярно пласти образцов ДСтП (0,36-0,4 МПа) наблюдается при введении стружки из некондиционной древесины в пределах 15-35% при продолжительности прессования в диапазоне 4,0—4,5 мин, а это позволяет сделать заключение о возможности сокращения продолжительности прессования и, таким образом, уменьшении энергоемкости на производство древесно-стружечных плит.

Согласно рис. 2, максимальная прочность образцов ДстП (свыше 0,36 МПа) достигается при введении во внутренний слой 3% парафиновой эмульсии, обеспечивающей компенсацию низкого уровня рН сырьевого материала. При этом изготавливаемые образцы ДСтП даже при минимальной выдержке в прессе в течение 4 мин имеют достаточно высокую прочность на разрыв перпендикулярно пласти.

0,25 -I----^----£----^----1 д сырья в среднем слое - 25 %

0 3 6 4

Содержание парафиновой эмульсии во внутреннем слое, %

Рис. 2. Влияние продолжительности прессования и содержания парафиновой эмульсии во внутреннем слое на прочность ДСтП при растяжении перпендикулярно пласти

Применение малотоксичной КФС с пониженным мольным соотношением в совокупности с повышенной кислотностью сырьем дает эффект соединения практически всех функциональных групп за более короткое время. В низкомольных КФС доля метилольных групп невелика. Применяя сырье с низким уровнем pH, можно предположить, что древесная масса образована меньшим количеством целлюлозной композиции (степень полимеризации), следовательно, начальное содержание метилольных групп (СН2ОН) в самой древесине также невелико. Взаимодействие метилольных групп смолы и древесины, процесс сшивания полимера и образования трехмерной сетки протекает гораздо быстрее. Полнота отверждения, связующего во внутреннем слое, достигается уже при продолжительности прессования в диапазоне 4-4,5 мин.

Увеличение продолжительности прессования стружечного ковра до 5 мин и более за счет более интенсивного отверждения маломольной смолы в условиях постоянного подвода тепла очевидно приводит к термоокислительной деструкции химической структуры полимера, тем и объясняется меньшая прочность ДСтП.

Прод

ность прессования,

мин

10

Количество стружки из некондиционной древесины в среднем слое, %

Содержание парафиновой эмульсии во внутреннем слое - 3 мас.ч.

31

26

21

Разбухание по толщине, %

Рис. 3. Влияние содержания стружки из некондиционной древесины во внутреннем слое и продолжительности прессования на разбухание образцов ДСтП по толщине за 24 ч

прессования, мин

Рис. 4. Влияние продолжительности прессования и содержания парафиновой эмульсии в среднем слое на разбухание образцов ДСтП по толщине за 24 ч

Следует также отметить, что дальнейшее увеличение содержания стружки из некондиционного сырья в среднем слое приводит к резкому снижению прочности, так как всё больше уменьшается содержание целлюлозного вещества с реакционноспособными функциональными группами, обеспечивающими адгезионные связи и прочность ДСтП.

Математическое описание зависимости разбухания по толщине образцов ДСтП за 24 ч представлено графически на рис. 3-4.

По результатам, представленным на рис. 3-4, можно заключить, что минимальное значение разбухания образцов ДСтП 15-19% наблюдается при введении стружки из некондиционной древесины в пределах 15-30% при продолжительности прессования в диапазоне 4,0-4,5 мин.

На основании полученных результатов исследований можно сделать обобщающие выводы:

1. Доказана возможность применения отходов из некондиционной древесины в качестве добавки к сырью для производства древесно-стружечных плит.

2. Разработаны рациональные режимы изготовления древесно-стружечных плит с применением некондиционного сырья, позволяющие получать ДСтП в полном соответствии ГОСТ 10632-2007, обеспечивающие повышение эффективности производства ДСтП за счет снижения материалоемкости и энергоемкости плит.

3. Полученные математические модели описания технологического процесса производства ДСтП позволят эффективно управлять последним и получать готовую продукцию в соответствии с мировыми стандартами.

Литература

1. Азаров В.И., Цветков В.Е. Технология связующих и полимерных материалов: учеб. пособие для вузов. - М.: Лесн. пром-сть, 1985. - 216 с.

2. Доронин Ю.Г., Мирошниченко С.Н., Свиткина М.М. Синтетические смолы в деревообработке: учеб. для вузов. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 224 с.

3. ОтлевИ.А. Интенсификация производства древесно-стружечных плит. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 188 с.

4. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследования процессов деревообработки. - М.: Лесная пром-сть,

1984. - 232 с.

5. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина. Химия, ультраструктура реакции: пер. с англ. - М.: Лесн. пром-сть,

1988. - 432 с.

6. ГОСТ 10632-2007. «Плиты древесно-стружечные. Технические условия».

7. EN 312-2. «Плиты стружечные. Технические условия. Часть 2. Требования к плитам для обычного

применения в сухих помещениях».

8. EN 312-3. «Плиты стружечные. Технические условия. Часть 3. Требования к плитам для внутренней

отделки (включая мебель) сухих помещений».

--------♦'-----------