Получение изделий прессованием в закрытых пресс-формах из фенопластов без добавления связующих

УДК 674.812

В.Г. Дедюхин, В.Г. Бурындин, Н.М. Мухин, А.В. Артемов

ПОЛУЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ПРЕССОВАНИЕМ В ЗАКРЫТЫХ ПРЕСС-ФОРМАХ ИЗ ФЕНОПЛАСТОВ БЕЗ ДОБАВЛЕНИЯ СВЯЗУЮЩИХ

Приведены результаты исследований изучения технологических свойств пресс-композиции из древесных частиц без добавления связующих и физико-механических свойств пластиков из этих композиций; изучено влияние низкомолекулярных (органических и неорганических) модификаторов, а также воды в процессе образования пластиков.

Ключевые слова: древесный пластик, карбамид, текучесть по Рашигу, шлифовальная пыль, фанера.

Запас древесины в России оценивается в 80 млрд м3. Степень ее использования составляет 65 ... 70 %, причем химическим и химико-механическим методом перерабатывают всего 15 ... 17 % (мировой уровень - 50 ... 70 %). На гидролизных предприятиях накапливается 1,5 млн т в год гидролизного лигнина в пересчете на сухое вещество [9].

Одно из рациональных направлений эффективного использования отходов деревообработки - получение из них пресс-материалов (древесных прессовочных масс) на основе феноло- и карбамидоформальдегидных смол [3, 8, 14]. Однако введение в эти композиции от 11 до 35 % синтетических связующих удорожает стоимость плит и делает их экологически не безопасными.

Поэтому большой интерес представляют древесные пластики, получаемые без добавления связующих. Исходным сырьем могут быть не только мелкие древесные частицы, но и гидролизный лигнин и растительные остатки однолетних растений (костра льна и конопли, стебли хлопчатника, солома и др.). В работе А.Н. Минина [10] такой материал назван пьезотермопла-стиком.

В УГЛТУ ведутся работы по получению материалов из древесных и других растительных отходов без добавления связующих: с 1961 г. в открытых пресс-формах (между обогреваемыми плоскопараллельными плитами) -лигноуглеводный древесный пластик [12], с 1996 г. в закрытых пресс-формах - древесный пластик без связующего (ДП-БС) [4, 6].

Технология получения плит и изделий из древесных пластиков без связующего не находит широкого применения из-за длительного цикла прессования, так как пластик охлаждают в пресс-форме под давлением (низкая производительность оборудования и оснастки, а расход тепла большой). Нами предложена технология прессования изделий, основанная на использовании выносных пресс-форм и в качестве тепло- и хладоносителя -воздуха. При этом производительность возрастает в 5 и более раз по сравнению с традиционной технологией для таких пресс-материалов, значительно сокращается расход тепла.

Одним из недостатков древесных пресс-композиций без добавления связующих является их низкая текучесть. Например, текучесть ДП-БС из отходов деревообработки (фракция 0 ... 2 мм) по методу прессования плоского образца-диска [7] при влажности 10 % составляет 78 мм, а при 20 % -95 мм [5]; текучесть по Рашигу данной пресс-композиции при влажности 10 % - 9 мм, а при 20 % - 29 мм.

Дешевым сырьем для изготовления ДП-БС является шлифовальная пыль от производства фанеры (ТТТП-Ф) и древесностружечных плит (ШП-ДСтП). Так при объеме производства ДСтП 100 тыс. м3/год количество образующейся ШП-ДСтП составляет 7,5 тыс. т [11]. В работе [2] показано, что ШП-ДСтП можно использовать в производстве фенопласта марки 03-010-02, соответствующего требованиям ГОСТ 5689-86 (см. таблицу).

Состав и свойства фенопластов на основе древесной муки и ШП-ДСтП

Показатель Значение показателя для наполнителя

Древесная мука ШП-ДСтП

Состав, %:

фенолформальдегидная смола 42,8 37,5

древесный наполнитель 42,6 42,0

уротропин 6,5 7,0

мумия 4,4 -

известь (гидроксид магния) 0,9 0,7

стеарин 0,7 0,6

каолин - 4,4

нигрозин 1,1 -

Свойства:

прочность при изгибе, МПа 69 66...69

ударная вязкость, кДж/см2 5,9 5,9...7,0

электрическая прочность, кВ/см 14,0 16,7.17,2

Зависимость свойств пресс-материала на основе ШП-Ф без добавления связующего от влажности (при влажности 13 % проведена модификация карбамидом): а -сопротивление сдвигу; б - модуль упругости при изгибе; в - текучесть по Рашигу; г - текучесть по диску

Цель данного исследования - разработка рецептуры ДП-БС на основе ШП-Ф и нахождение оптимальных режимов прессования изделий со свойствами, близкими к свойствам фенопласта 03-010-02.

По текучести ДП-БС на основе ШП-Ф значительно уступает фенопластам, поэтому из него можно изготавливать изделия простой конфигурации. Текучесть материала по Рашигу и по диску в зависимости от его влажности приведена на рисунке.

Известно, что модификация древесины аммиаком значительно увеличивает ее пластичность. Оптимальное количество аммиака составляет 5 % [13]. В качестве источника аммиака предложено использовать карбамид, который в условиях прессования разлагается:

1ЧН2 - С - 1ЧН2 + Н20 -> 2Шз + С02. О

Количество аммиака там и углекислого газа туг, образующихся при разложении карбамида тк можно рассчитать по формулам

там = тк /1,765; туг = 0,733 тк .

По нашему мнению, применение карбамида более целесообразно, так как образующийся углекислый газ создает слабокислую среду, что способствует поликонденсации лигнина и легкогидролизуемой части целлюлозы - гемицеллюлоз. Это совпадает с мнением авторов работ [1, 10].

Вода в процессе получения древесного пластика без добавления связующего необходима как пластификатор древесины и химический реагент, участвующий в реакциях с компонентами древесины.

Согласно [12], для протекания химических процессов, происходящих при образовании пластика из сосновых частиц при давлении 2,5 МПа, исходная влажность древесины должна составлять 7 ... 9 %. При использовании лиственных пород (осина, ольха) исходная влажность должна быть несколько выше - 10 ... 12 %. Чтобы придать древесине пластичность, содержание влаги, которое зависит от породы древесины и давления прессования, должно быть еще больше.

Кроме того, при использовании в качестве модификатора карбамида необходимо дополнительное количество воды для его разложения (см. вышеприведенную схему). Количество воды для прохождения реакции можно рассчитать по формуле тв = 0,53 там.

Следовательно, при образовании ДП-БС на основе ШП-Ф с использованием в качестве модификатора карбамида оптимальное содержание воды должно составлять около 13 %.

Для модификации пресс-композиции на основе ШП-Ф было использовано 9 % мас. карбамида. Это позволило значительно повысить вязкоте-кучие свойства пресс-материала. Например, текучесть по Рашигу, при влажности исходного материала 13 % мас., возросла в 3,5 раза, текучесть по диску - с 75 до 84 мм, модуль упругости при изгибе - с 263 до 364 МПа, а сопротивление сдвигу, определенное согласно [7], уменьшилось с 2,6 до 1,5 МПа

Таким образом можно сделать следующие выводы:

- с использованием метода математического планирования эксперимента вида З2 изучено влияние влажности ШП-Ф {Х\ = 11 ± 5 %) и давления прессования (Х2 = 15 ± 10 МПа) на свойства ДП-БС (температура прессования 170 °С);

- при обработке результатов экспериментов получены адекватные уравнения регрессии в виде полинома второго порядка:

¥,(аюг) = 34,9 + 6,6 X! + 16,9 Х2 - 1,4 X? - 4,3 Х22 - 3,0 Хх Х2;

Г2(Д:,) = 34,5 - 21,8 X ~ 76,7 Х2 + 26,3 X2 - 3,8 Х22 + 75,5 X Х2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Базарнова Н.Г. Влияние мочевины на свойства прессованных материалов из древесины, подвергнутой гидротермической обработке / Н.Г. Базарнова, А.И. Галочкин, В.С. Крестьянников // Химия растительного сырья. -1997. - № 1. -С. 17-21.

2. Бурындин В.Г. Изучение возможности использования шлифовальной пыли ДСтП для получения фенопластов / В.Г. Бурындин [и др.] // Технология древесных плит и пластиков: межвуз. сб. - Екатеринбург, УЛТИ, 1994. - С. 82-87.

3. Вигдорович А.И. Древесные композиционные материалы в машиностроении (справочник) / А.И. Вигдорович, Г.В. Сагалаев, А.А. Поздняков. - М.: Машиностроение, 1991.- 152 с.

4. Дедюхин В.Г. Древесные пластики без добавления связующих (ДП-БС): сб. тр., посвященный 70-летию инженерно-экологического факультета УГЛТУ /В.Г. Дедюхин, Н.М. Мухин. - Екатеринбург, 2000. - С. 200-205.

5. Дедюхин В.Г. Исследование текучести древесной пресс-массы без добавления связующего /В.Г. Дедюхин, Н.М. Мухин // Технология древесных плит и пластиков: межвуз. сб. - Екатеринбург: УГЛТА, 1999. - С. 96-101.

6. Дедюхин В.Г. Прессование плитки облицовочной из массы прессовочной без добавления связующего / В.Г. Дедюхин, Л.В. Мясникова, И.В. Пичугин // Технология древесных плит и пластиков: межвуз. сб. - Екатеринбург: УГЛТА, 1997. -С. 94-97.

7. Дедюхин В.Г. Прессованные стеклопластики / В.Г. Дедюхин, В.П. Став-ров. - М.: Химия, 1976. - 272 с.

8. Доронин Ю.Г. Древесные пресс-массы /Ю.Г. Доронин, С.Н. Мирошниченко, И.Я. Шулепов. - М.: Лесн. пром-сть, 1980.- 112 с.

9. Кононов Г.В. Химия древесины и ее основных компонентов /Г.В. Кононов. - М.: МГУЛ, 1999. - 247 с.

10. Минин А.Н. Технология пьезотермопластов /А.Н. Минин. - М.: Лесн. пром-сть, 1965. - 296 с.

11. Отлев И.А. Справочник по производству древесностружечных плит / И.А. Отлев [и др.]. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 384 с.

12. Плитные материалы и изделия из древесины и других одревесневших растительных остатков без добавления связующих /под ред. В.Н. Петри. - М.: Лесн. пром-сть, 1976. - 360 с.

13. Получение, свойства и применение модифицированной древесины.- Рига: Зинатне, 1973.- 138 с.

14. Щербаков А.С. Технология композиционных древесных материалов /А.С. Щербаков, И.А. Гамова, Л.В. Мельникова. - М.: Экология, 1992. - 192 с.

V. G. Dedyukhin, V. G. Buryndin, N.M. Mukhin, A. V. Artyomov Producing Items out of Phenoplasts by Pressing in Closed Press Molds without Adding Binding Agents

The research results of technological properties of presscomposition made of wood particles without adding binding agents and physicomechanical properties of plastics from these compositions are provided. The influence of low-molecular (organic and inorganic) modifiers and water in plastic formation process are studied.