ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНАЯ ПЛИТА

Предлагаемое техническое решение относится к классу древесностружечных плит, изготавливаемых с использованием измельченной древесины и связующего путем горячего прессования, и может использоваться в строительной отрасли, в частности, в домостроении.
Известна древесностружечная плита по патенту [1], в которой в качестве связующего использованы отходы производства, меласса, сгущенный кукурузный экстракт или их смеси, а также известь и крахмалсодержащие продукты. Указанная плита является экологически чистой и механически прочной.
Однако данное техническое решение является сложным. Кроме того, данное решение требует использования специфического сырья в виде кукурузного экстракта и крахмалсодержащих продуктов, что сужвет область его использования.
Известна многослойная древесностружечная плита по патенту [2], включающая, по крайней мере, один внутренний слой на основе древесных частиц и фенолоаминоформальдегидного связующего, и наружные слои на основе древесных частиц и аминоформальдегидного связующего, отличающаяся тем, что плита в качестве связующего для внутренних и наружных слоев содержит смесь карбамидоформальдегидной и меламиноформальдегидной или карбамидомеламиноформальдегидной смол при их соотношении 80-20:20-80% соответственно. Кроме того, плита по патенту [2] содержит гидрофобизирующую добавку, краситель и добавку, снижающую комкование частиц в количестве до 1,5% от массы плиты. Использование указанной выше смеси смол и гидрофобизирующих добавок позволяет повысить прочность плиты и уменьшить деформации плиты при увлажнении, т.е. уменьшит разбухание.
Однако в данном техническом решении использована сложная технология изготовления, поскольку требует смешивания двух смол в указанном выше соотношении и двух добавок.
Известна древесно-стружечная плита по патенту на полезную модель [3], содержащая два наружных слоя и внутренний слой, при этом наружные слои выполнены из мелких частиц древесины и связующего материала, причем внутренний слой содержит полистирол. Мелкие частицы древесины выполнены в виде опилок, а во внутренний слой дополнительно введены стружка и связующий материал, при этом полистирол выполнен в виде гранул размером 0,3-1,5 мм.
Однако данное техническое решение [3] требует использования гранулированного полистирола, что не улучшает свойства плиты при увлажнении, усложняет технологию ее изготовления.
Известен защитный экран от воздействия электромагнитного излучения по патенту [4], выполненный в виде многослойного пакета, включающего изоляционные слои и слои, поглощающие электромагнитное излучение, выполненные из материала, в который включен измельченный шунгит.
Однако в указанном техническом решении [4] не предусматривается совмещение двух функций технического устройства, а именно, функции защитного экрана от воздействия электромагнитного излучения и функции ограждающей конструкции (или элемента несущей конструкции) в зданиях или сооружениях промышленного или гражданского назначения.
Техническим решением, наиболее близким к заявляемому, которое и принято в качестве прототипа, является древесно-стружечная плита по патенту RU 137500 [5], содержащая внутренний и наружные слои, каждый из которых выполнен из измельченной древесины, связующего и добавок, причем связующее содержит нанопорошок шунгита в количестве 0,5…16% от массы сухого остатка связующего, массовая доля среднего слоя плиты составляет 40…80% по отношению к массе всех слоев, а наружные слои содержат древесные частицы меньшей крупности, чем частицы среднего слоя.
Однако в данном техническом решении [5] не обеспечивается стабильность показателей прочности плит, т.к. не учитывается влияние влажности органического материала растительного происхождения в виде древесных частиц, имеющих клеточное строение и содержащих влагу, как в межклеточном пространстве, так и внутри клеток. По этой причине появляется нестабильность показателей прочности плит. В неблагоприятных случаях наблюдается расслоение плит после завершения процесса горячего прессования.
Технический результат от применения предлагаемого технического решения в виде древесностружечной плиты заключается в повышении прочности при одновременном обеспечении стабильности показателя прочности в различных условиях изготовления плит и их эксплуатации.
Данный результат достигается за счет того, что древесные частицы выполнены термомодифицированными, причем толщина каждого из наружных слоев составляет 5…30% от толщины плиты, а содержание нанопорошка шунгита в связующем составляет 0,1…10% от массы сухого остатка связующего.
Увеличение прочности древесно-стружечной плиты объясняется тем, что термомодифициривание частиц измельченной древесины для предлагаемой древесно-стружечной плиты путем их выдержки при температуре 140…190°C до постоянной плотности или до остаточной влажности 6…8% существенно уменьшает разброс прочности частиц, т.е. приводит к увеличению однородности древесных частиц по критерию прочности. При этом за счет уменьшения влажности древесных частиц повышается их прочность. Кроме того, уменьшаются деформации термомодифицированных частиц при одной и той же нагрузке, что объясняется увеличением жесткости древесных частиц за счет уменьшения влажности в межклеточном и внутриклеточном пространстве данных частиц.
Термомодификация древесины используется в настоящее время применительно к доскам, брусу и другим изделиям из массива древесины [6, 7]. Предлагаемое техническое решение распространяет область применения термомодификации на измельченную древесину.
Достижение заявленного технического результата объясняется влиянием следующих факторов. Обычно используемая сушка уменьшает содержание, прежде всего, влаги в межклеточном пространстве. Массовая доля влаги в межклеточном пространстве, нестабильная для различных древесных частиц, может достигать 22%. Поскольку при изготовлении древесно-стружечных плит используется горячее прессование с температурой до 160…190°C, то содержащаяся в межклеточном пространстве вода закипает, при этом давление образующегося пара на древесные частицы формируемой плиты повышается, частицы смещаются друг относительно друга как в процессе горячего прессования, так и по его завершении.
Указанное выше уменьшение разброса прочности частиц, увеличение однородности древесных частиц по критерию прочности, а также увеличение прочности частиц за счет их темомодифицирования в комплексе позволяют уменьшить содержание упрочняющей добавки в виде нанопорошка шунгита. Это означает, что прочность предлагаемой древесно-стружечной плиты повышается не только за счет добавки нанопорошка шунгита, но и за счет применения термомодифицированных древесных частиц, как основы предлагаемой древесно-стружечной плиты. Таким образом, в предлагаемой плите используются новый фактор для повышения прочности плиты. По этой причине может быть уменьшено содержание нанопорошка шунгита как упрочняющей добавки. Таким образом, уменьшение содержания нанопорошка шунгита в предлагаемой плите технически возможно иэкономически целесообразно.
Если добавка нанопорошка шунгита составит менее 0,1% от массы сухого остатка смолы, эффект от такой добавки будет пренебрежимо мал. С увеличением содержания нанопорошка прочность плиты также увеличивается. Однако при добавке нанопорошка, равной 10% от массы сухого остатка смолы увеличение прочности прекращается и дальнейшее увеличение содержания нанопорошка нецелесообразно.
Если толщина каждого из наружных слоев составит менее 5% от толщины плиты, то влияние данного слоя будет пренебрежимо малым и получение технического результата станет невозможным. Если толщина каждого из наружных слоев превысит 30%, то толщина среднего слоя составит менее 40% толщины плиты и поэтому влияние среднего слоя существенно уменьшится.
Наружные слои плиты содержат древесные частицы меньшей крупности по сравнению с частицами среднего слоя. Тем самым обеспечивается более высокая плотность и прочность материала наружных слоев, что необходимо для повышения прочности плиты в целом.
Техническая реализация и функционирование древесностружечной плиты. Для изготовления плиты используется термомодифицированная измельченная древесина в виде древесной стружки и щепы. На фиг. 1 показана плита толщиной 15,4 мм с содержанием нанопорошка шунгита 10%. Наружные слои 1 и 2 плиты выполнены из более мелких частиц по сравнению с внутренним слоем 3. Наружные и внутренний слои не имеют четко выраженных границ, отделяющих эти слои друг от друга. Частицы одного слоя частично проникают в смежный слой (но не по всей его толщине). Тем самым при прессовании смеси частиц измельченной древесины и клеевой композиции обеспечивается прочное соединение наружных слоев 1, 2 с внутренним слоем 3 плиты, что необходимо для повышения прочности плиты.
Наружные слои 1 и 2 выполнены из более мелких частиц по сравнению с внутренним слоем 3 плиты. Как известно, при одном и том же объеме материала с уменьшением размера частиц увеличивается суммарная площадь их поверхности. Соответственно, расход клея увеличивается, что приводит после горячего прессования к увеличению прочности наружных слоев по сравнению с внутренним слоем, выполненным из более крупных частиц. Такая структура плиты увеличивает прочность плиты при изгибе, поскольку в данном случае наибольшие механические напряжения действуют в наружных слоях плиты. Добавка нанопорошка шунгита (НПШ) способствует дополнительному повышению прочности плиты при изгибе. Термомодифицирование частиц измельченной древесины, повышая их прочность и стабильность механических свойств, позволяет уменьшить количество упрочняющей добавки в виде нанопорошка шунгита. Чтобы увеличить сопротивление плиты разбуханию при воздействии влаги, средний слой также выполнен с добавкой нанопорошка шугита.
3
Пример технической реализации древесностружечной плиты с добавкой нанопоршка шунгита. Для изготовления опытных образцов плит использовалась термомодифицированная стружка, приготовленная из древесины хвойных пород (ель, сосна) и осины. Породный состав: массовая доля осиновой стружки равна 30%; хвойной - 70%. Плотность стружечной смеси равна 309 кг/м.
3
3
4
Расчетная плотность наружного слоя плит 850 кг/м, доля наружных слоев (по массе) 40%, содержание абсолютно сухой смолы в наружных слоях 14%. Расчетная плотность внутреннего слоя плит 700 кг/м, доля внутреннего слоя (по массе) 60%, содержание абсолютно сухой смолы во внутреннем слое равно 10% от массы абсолютно сухой смолы. Клеевой раствор для наружного и внутреннего слоев содержал 66-процентный водный раствор карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-НФП и 20-процентный водный раствор отвердителя - хлорида аммония NHCl в количестве 1% от массы раствора смолы.
НПШ в количестве 10% от массы абсолютно сухой смолы КФ-НФП вводили в водный раствор смолы, после чего добавляли раствор отвердителя.
Фракционный состав стружечной смеси для плит определялся методом рассева и приведен в нижеследующей таблице.
Более высокая плотность материала наружных слоев плиты и более высокое содержание смолы по сравнению с внутренним слоем объясняется тем, что наружные слои содержат древесные частицы меньшей крупности, чем частицы среднего слоя.
Предел прочности при изгибе определялся с использованием образцов длиной 240 мм, шириной 50 мм, толщиной 15,4 мм.
Результаты испытаний образцов плиты, изготовленных из термомодифицированной измельченной древесины с указанным в таблице фракционным составом:
предел прочности при изгибе плиты без добавки НПШ равен 14,4 Мпа;
предел прочности при изгибе плиты с добавкой НПШ в количестве 10% от массы абсолютно сухой смолы равен 18,1 МПа.
Таким образом, прочность увеличилась с 14,4 МПа до 18,1 МПа.
Представленное выше техническое решение плиты выполнено с применением частиц измельченной древесины влажностью 32…38%, среднее значение влажности 35%. Были также изготовлены образцы плит с применением термомодифицированной измельченной древесины влажностью 6…8% и с уменьшением на 20% добавки нанопорошка шунгита. Прочность при изгибе составила 18,2 МПа, т.е. за счет термомодифицирования был снижен расход нанопорошка шунгита, а прочность не уменьшилась. При прочих равных условиях применение термомодифицированной измельченной древесины повышает прочность.
Библиография
1. Способ изготовления плит. Патент на изобретение RU 2266816. МПК B27N 3/02, B27N 3/04. Опубликовано: 27.12.2005.
2. Многослойная древесностружечная плита. Патент на полезную модель RU 37030. МПК 7 B27N 3/00. Опубликовано: 10.04.2004.
3. Древесно-стружечная плита. Патент на полезную модель RU 114331. МПК E04C 2/10; B27N 3/02. Опубликовано: 20.03.2012.
4. Защитный экран от воздействия электромагнитного излучения и способ его изготовления. Патент на изобретение RU 2234176. МПК H01Q 17/00. Опубликовано: 10.08.2004.
5. Древесно-стружечная плита. Патент на полезную модель RU 137500. МПК В27N 3/00. Опубликовано: 20.02.2014.
6. ГОСТ Р 54577-2011. Древесина модифицированная. Технические условия.
7. ГОСТ 24329-80. Древесина модифицированная. Способы модифицирования.