Экспериментальное исследование прочностных характеристик композиционной фанеры

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННОЙ ФАНЕРЫ

Свешников А.С., Угрюмов С.А.

Results of mathematical processing of results of the experimental plan are presented according to influence of the basic technology factors on durability of composite plywood with an inside layer on the basis of a wood shaving - a waste of plywood manufacture.

Рациональное отношение к лесным ресурсам России имеет важнейшее значение, особенно для ее европейской части. Определенную озабоченность у специалистов вызывает обеспечение древесным сырьем новых проектируемых и строящихся предприятий большой мощности по производству древесных плит и фанеры. Эта озабоченность связана, в первую очередь, с недостаточным объемом возобновляемых запасов древесного сырья, а также с отсутствием научно обоснованных отечественных разработок и применения в производстве фанерной продукции отходов производства. В настоящее время перед деревообрабатывающей промышленностью стоят задачи по снижению материалоемкости, расходов сырья и материалов, поэтому поиск управленческих решений по снижению материалоемкости и себестоимости продукции с сохранением или повышением ее качества является актуальной задачей, прежде всего, в связи с тенденцией вступления России в ВТО и внедрением выпускаемой продукции на внешний рынок.

Применительно к фанерному производству решению данного вопроса может способствовать широкое вовлечение всех возможных отходов деревообрабатывающих производств с организацией выпуска композиционной фанеры. Композиционная фанера представляет собой плитный клееный материал, наружные слои которого состоят из взаимно перпендикулярных слоев лущеного шпона, а внутренним заполнением является клеевая композиция на основе измельченных древесных или других дискретных целлюлозосодержащих частиц [1].

Основу прочности данному материалу придают слои лущеного шпона, а внутренним заполнителем является клеевая композиция на основе древесных частиц в смеси с синтетическим клеем. При выпуске композиционной фанеры существенно снижается расход дорогого лущеного шпона, рационально используются древесные ресурсы, эффективно утилизируются отходы, что способствует уменьшению производственных затрат и снижению себестоимости выпускаемой продукции.

При организации производства композиционной фанеры в рамках основного фанерного производства имеется возможность эффективной переработки образующихся отходов (прежде всего шпона-рванины, обрезков кускового шпона и др.), уменьшения расхода лущеного шпона, снижения себестоимости готовой продукции при обеспечении требуемых физико-механических свойств.

Основные характеристики композиционной фанеры и влияние на них условий горячего прессования рассмотрены в работе [2]. В ходе

дополнительных экспериментальных запрессовок выявлены факторы, оказывающие не менее значимый эффект на эксплуатационные характеристики композиционной фанеры, как конструкционного материала:

- плотность внутреннего слоя, влияющая на качество упаковки частиц и, следовательно на прочность материала;

- расход связующего, влияющий на качество склеивания частиц между собой, прочностные и водозащитные свойства материала;

- количество вводимого модификатора в связующее (парафиновой эмульсии «Эрговакс-60», влияющее на водозащитные свойства материала.

Указанные факторы приняты в качестве управляемых при постановке и реализации экспериментального плана второго порядка. При проведении опытных запрессовок применялся клей на основе карбамидоформальдегидной смолы КФН-66 и отвердителя хлористого аммония, в наружных слоях использовался березовый лущеный шпон номинальной толщиной 1,15 мм, для внутреннего заполнения использовалась березовая специальная резаная стружка фракции 10/5, изготовление плит проводилось при следующих постоянных факторах:

- номинальная толщина готовой плиты 12 мм;

- температура прессования 130°С;

- удельное давление прессования 2 МПа;

- время выдержки под давлением 6 мин;

Уровни варьирования управляемых факторов выбраны на основе анализа результатов предварительных запрессовок и представлены в табл. 1.

Матрица планирования эксперимента с натуральными уровнями управляемых факторов выходными величинами представлена в табл. 1. В качестве выходных величин оценены прочностные показатели, характеризующие эксплуатационные характеристики готовой плитной продукции - пределы прочности при изгибе и перпендикулярном отрыве, пределы прочности при выдергивании шурупов из кромки и из пласти, разбухание по толщине, объёмное разбухание и водопоглощение композиционной фанеры после выдержки ее в воде в течение 24 ч, определенные по гостированным методикам для фанеры общего назначения и древесностружечных плит.

Математическая обработка полученных экспериментальных данных проведена по стандартной методике обработки результатов плана второго порядка [3]. Установлено, что полученные выборки не содержат грубых результатов, а дисперсии опытов являются однородными.

Таблица 1 - Матрица планирования эксперимента

№ оп. Управляемые факторы в натуральном обозначении Выходные величины

Плотность внутреннег о слоя р, кг/м3 Расход связующе го во внутренн ем слое Рсв, % Количеств о парафинов ой добавки Кп, % Предел прочности при изгибе Ои, МПа Предел прочности при отрыве 0±, МПа Предел прочности при выдергивании шурупов

из кромки из пласти апл, МПа

Окр, МПа

1 600 8 0 36,0 0,22 48 86

2 800 8 0 45,6 0,26 54 98

3 600 16 0 52,6 0,29 51 92

4 800 16 0 58,2 0,36 56 101

5 600 8 1 33,0 0,19 50 84

6 800 8 1 42,6 0,25 54 95

7 600 16 1 49,6 0,30 53 89

8 800 16 1 55,2 0,32 60 100

9 600 12 0,5 44,2 0,26 51 87

10 800 12 0,5 51,8 0,29 58 99

11 700 8 0,5 39,6 0,23 52 89

12 700 16 0,5 54,2 0,34 57 97

13 700 12 0 47,0 0,28 55 95

14 700 12 1 44,0 0,24 52 90

После исключения количественно незначимых членов математические модели влияния рассмотренных факторов в кодированном обозначении на свойства композиционной фанеры имеют следующий вид:

- выходная величина - предел прочности при изгибе:

У! = 46,883+3,8 Х!+7,3 Х2-1,5 Х3+1,132 X!2 -1,368 Х32- Х^2 ;

- выходная величина - предел прочности при перпендикулярном отрыве:

У2 = 0,273 + 0,022 Х1+0,046 Х2 ;

- выходная величина - предел прочности при выдергивании шурупов из кромки:

У3 = 54,634 + 2,9 Х1+1,9 Х2+0,5 Х3;

- выходная величина - предел прочности при выдергивании шурупов из пласти:

У4 = 92,702 + 5,5 Х1+2,7 Х2-1,4 Х3.

Данные модели являются адекватными и эффективными.

Анализ полученных математических моделей позволил определить, что на прочностные показатели композиционной фанеры наибольшее влияние оказывает плотность внутреннего слоя, с увеличением которой происходит упрочнение материала за счет снижения доли пустот, образованных при хаотичном соприкосновении древесных частиц. Существенное влияние оказывает также расход связующего, особенно для прочности при перпендикулярном отрыве по пласти, поскольку повышается равномерность распределения клея по поверхности частиц, увеличивается количество клеевых связей. Введение парафиновой добавки несущественно снижает прочностные характеристики, в то же время при этом обеспечиваются дополнительные водозащитные функции.

Комплексный анализ полученных математических моделей позволил определить рациональные условия производства композиционной фанеры с внутренним слоем на основе древесной стружки:

-5

- плотность внутреннего слоя 700 кг/м ;

- расход связующего 12... 15% от массы наполнителя;

- количество парафиновой эмульсии 0,5..1,0% от массы наполнителя;

- температура прессования 130°С;

- давление прессования 2,0 МПа;

- время выдержки под давлением 6 мин (0,5 мин на 1 мм толщины фанеры).

При изготовлении плит при данных условиях удается получить материал с прочностью при изгибе 44...54 МПа, при перпендикулярном отрыве порядка

0.25.МПа, при выдергивании шурупов из кромки - 50.55 МПа, из пласти -90.95 МПа, разбуханием по толщине - 11.13%, водопоглощением -40.45%. Данные показатели приближаются к нормативным требованиями на фанеру общего назначения (ГОСТ 3916.1-96) и превышают основные требования на стружечные плиты (ГОСТ 10632-07).

Композиционная фанера с внутренним слоем на основе древесных отходов является конкурентоспособным материалом, удовлетворяет основным нормативно-техническим требованиям для строительства, а также других сфер применения, поэтому организация ее выпуска в условиях действующих производств имеет очевидные перспективы.

Литература

1. Угрюмов С.А. Разработка технологической последовательности производства композиционной фанеры с применением костры льна / С. А. Угрюмов, Е. А. Боровков, А. Е. Щербаков // Вестник МГУЛ - Лесной вестник: периодический научный журнал. - М.: МГУЛ, 2007. - №6. - С. 120-123.

2. Угрюмов С.А. Планирование и реализация эксперимента для оценки влияния технологических факторов на свойства композиционной фанеры / С. А. Угрюмов, А. А. Смирнов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник: периодический научный журнал. - М.: МГУЛ, 2006. - №6. - С. 130-132.

3. Пижурин А.А. Исследование процессов деревообработки// А.А.Пижурин, М.С. Розенблит. -М.: Лесная промышленность, 1984. -232 с.