Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Модифицирование древесных плит. Учебное пособие
.pdf
времени эмиссию, другие химически взаимодействуют с формальдегидом, но
отрицательно влияют на базовые показатели плит.
Принципиально доброкачественность древесных плит можно повысить включением СН2О в химическую реакцию с аммиаком, образующимся
из акцептора:
6CH
Однако наличие аммиака или его образование из акцептора приводит
к образованию щелочной среды из-за NH4OH, что ухудшает процесс отверждения карбамидного связующего.
ременно реализуемым приемом обеспечить в газовой фазе присутствие NH
(для реакции с CH2O) и создать кислую среду (для отверждения КФС). Это
противоречие можно разрешить использованием специально созданного для
этой цели продукта направленной конденсации фосфорной кислоты и карбамида в присутствии специального катализатора до степени конденсации с
молекулярной массой ММ = 300 ± 20 с долей фосфора в продукте P = 17 ±
± 1 %, величиной pH = 4 ± 0,5. Величина ММ определяет термическую
стойкость (рабочий интервал температуры применения продукта), P – предопределяет количество образующейся фосфорной кислоты и кислотность
среды при разложении продукта, величина pH определяет условие отверждения КФС. Все три величины при указанных значениях и свойствах
продукта гармонизированы как преодолевающие техническое противоречие.
Это определяет эффективность продукта как акцептора.
Действие продукта, известного под брендом Летавин [64], при образовании древесных плит реализуется следующим образом:
1. Продукт вносится в древесные частицы наружных слоев (не в КФС)
в виде водного раствора примерно 50%-ной концентрации, что увеличивает
влажность стружечного ковра не более, чем на 1 %.
2. При горячем прессовании, когда температура наружного слоя быс-
тро повышается свыше 100 °С, образуется пар, он быстро проникает во всю
толщину ковра и прогревает средний слой до температуры отверждения
(желатинизации) связующего, составляющей порядка 100 °С. Аммиак ещё не
образовался из продукта и не мешает отверждению, которое сопровождается
образованием CH
древесных частиц или волокон и удерживается в них в свободном состоянии
до температуры 150 °С.
3. При температуре свыше 150 °С продукт начинает разлагаться с
образованием NH
O по реакции (1). Газообразный CH2O проникает в поры
2
и фосфорной кислоты (с промежуточными продуктами).
3
O + 4NH3 → (CH2)6N4 + 6H2O (2)
2
Следует решить противоречие, т.е. однов-
61
3
Кислота обеспечивает поддержание заданной величины pH 4…4,5. Аммиак в
Содержание летавина в наружных слоях ДСП, %
1,60
1,66
2,31
ρ, кг/м3
675
685
681
675
σ
изг
, МПа
16,9
16,4
16,3
16,1
σA, МПа
0,54
0,47
0,45
0,42
CH2O, мг/100 г
плиты
виде газа заполняет структуру прессуемой плиты, как это происходило с
образующимся СН
образуя гексаметилентетрамин. В результате содержание СН
О, и вступает по реакции (2) во взаимодействие с ним,
2
О в готовой
2
плите уменьшается. При этом допускается регулирование остаточного содержания расходом продукта.
Летавин улучшает смачивание древесной подложки стандартными
КФС. Краевой угол смачивания по сравнению с контролем снижается на
25 %. Увеличивается работа адгезии в среднем вдоль и поперек волокон на
10 % и составляет 37 ± 1 МДж/м
2
. Эти характеристики предопределяют
улучшение качества склеивания. Наличие летавина в связующем не
оказывает заметного влияния на отверждение. В таблице приведены показатели плит как функция содержания летавина в обоих наружных слоях,
суммарная масса которых примерно 40 % массы готовой плиты. Оптимальный расход летавина при подаче в наружные слои составляет 1,60…1,66 %,
что в пересчете на массу всей плиты толщиной 16 мм составит 0,6…0,7 %,
считая на сухие вещества.
Таблица. Показатели ДСП, изготовленных с применением летавина
Показатели
1,00
Экспозиция в течение одного года образцов плит с летавином в
сравнении с промышленно изготовленными плитами показала, что в первом
случае содержание СН
О по перфораторному методу снижается с 3,2 до
2
2,8 мг/100 г плиты. У контроля эти цифры составили 7,9 и 3,6 мг/100 г плиты.
То есть благодаря летавину выделение за 1 год оказалось в 10 раз меньше,
чем из плит без него.
В целом сложные превращения акцептора и олигомеров и их взаимодействие приводят к равнодействующему результату с оценкой древесноплитных материалов как соответствующих классу эмиссии Е0,5. Более
подробно с действием летавина, результатами испытаний плит, их долговечностью и производственной выработке партии плит можно ознакомиться по
5,6
62
3,6
3,5
2,5
работе [40], где приводятся сведения о выработке плит в цехе ДСП ЗАО
«Череповецкий ФМК». Характеристика изготовленных плит следующая:
σ
= 15,3 ± 0,2 МПа; σA = 0,42 ± 0,03 МПа; содержание СН2О (на перфо-
изг
раторе) 3,2 ± 0,2 мг/100 г; эмиссия СН
О (газоаналитический метод) 2,0 ±
2
± 0,07 мг/(м2·ч).
2.3. Энерго- и ресурсосбережение
Наиболее очевидный технико-экономический эффект у изготовителя
достигается сокращением расхода потребляемой энергии и снижением материальных затрат на единицу продукции. Решаются вопросы расширения
сырьевой базы при сохранении стандартных показателей древесных плит балансом между использованием нелеквидного древесного и другого растительного сырья, с одной стороны, и расходом соответствующих связующих,
с другой. Определенные возможности в решении этого технического противоречия открываются включением в рецептуру плит соответствующих
модифицирующих средств [18, 24].
15. Принцип использования мозаичности энергетического
состояния поверхности древесных частиц для
рационального использования связующего
В высокооборотных смесителях осмоление осуществляется за счет
перемазывания связующим древесных частиц при трении друг о друга. В
процессе такого трения связующее перемещается по поверхности древесных
частиц и впитывается ими, особенно торцевой частью.
Преимущественное поглощение торцами связующего обусловлено
анатомическим строением древесины и закономерностями изготовления
стружечной массы (резанием и доизмельчением). Продольный разрез древесной частицы примерно совпадает с продольной плоскостью разреза древесины и с направлением клеток вдоль ствола. В силу этого торцевая поверхность частицы имеет наибольшую «шероховатость». Отдельные люмены
трахеидов (у древесины хвойных пород) или волокон либриформа (у древесины лиственных пород) выходят на торцевую поверхность частиц, в
результате чего усиливается поглощение связующего.
Перемещение связующего вглубь древесных частиц обедняет пласти
и ухудшает прочность отдельных микрозон склеивания. Основная причина
преимущественного попадания связующего на торцы частиц обусловлена их
большей удельной свободной поверхностной энергией (УСПЭ) из-за нескомпенсированной энергии атомов на острорельефной поверхности торцов.
Стремление к насыщению является «движущей силой» смачивания свя
зу-
63
ющим, его избыточного нахождения на торцевых гранях. Такая энергетическая мозаичность поверхности обусловливает неравномерное осмоление
древесной частицы, обеднение пласти частиц в пользу торцов. Последнее
делает малополезной функцию связующего, отверждение которого происходит без требуемого давления прессования. Это можно видеть на приведенной
на рисунке упрощенной модели ДСП, в которой реальные частицы заменены
параллелепипедами с гранями, представляющими проекции поверхностей
частиц [33]. Частицы различной толщины ориентированы в одном продольном направлении, кроме микрозоны е, где, образующие её частицы, перпендикулярны друг другу. В действительности подобная ориентация не выполняется и направление частиц в ковре сильно отличается от продольного
направлении ковра в пределах ± 30°, в зависимости от конструкции формирующего устройства.
Рисунок. Модель расположения древесных частиц в ДСП.
Буквами обозначены клеевые швы микрозон
К неэффективным относятся микрозоны торцов г и д, а некоторое
количество связующего б и ж находится в межстружечном пространстве и
вообще не участвует в образовании материала (модель не имеет количественного соотношения вариантов, а лишь качественно характеризует типичные
положения частиц).
Нужное подтверждение неравномерности осмоления по граням древесных частиц получили в прямом эксперименте. На осмоленной фракции
3/2 стружки внутреннего слоя провели определение содержания смолы на
концах отдельных частиц и в их центральной части. Осмоление производили
карбамидоформальдегидным олигомером (КФО) концентрацией 55 %. Оказалось, что в отрезанных торцах 1…2 мм содержание КФО в два с половиной
раза превышало его содержание в центральной части частицы. Ясно, что
исходя из модели и условий прессования, преимущественное нахождение
связующего на торцах частиц не создает необходимого качества, тогда как
нахождение его на пласти обеспечивает прочность склеивания древесных
частиц в качественную ДСП. Еще следует отметить, что впитывающая спосо-
64
бность торцов значительно выше, чем пласти, и связующее проникает вглубь
Расход КФО, %
Расход
парафина, %
,
МПа
σ٣, МПа
∆S, %
наружный
слой
внутренний
слой
14
10 – 21,5
0,38
27,8
14
10
0,5
23,0
0,44
7,8
12,6
9,0
0,4
21,6
0,39
17,0
12,6
9,0
0,6
22,0
0,41
12,4
11,2
8,0
0,5
21,5
0,38
20,8
11,2
8,0
1,0
21,6
0,41
12,7
частиц, покидая зону склеивания.
Одним из путей изменения смачиваемости малополезных частей стружки связующим является уменьшение УСПЭ. Достигается это предварительным нанесением на частицы путем распыления неполярного гидрофобизатора (парафина). Его попадание на торцы делает поверхность гидрофобной и
изменяет последующую смачиваемость связующим. Примем, что на пласти и
боковые грани частиц попадает примерно такое же количество связующего,
как и до выведения из процедуры осмоления активного поглощения его торцами. Тогда представляется возможным сократить общий расход связующего
за счет более рационального его использования.
На этом принципе запатентован способ приготовления стружечноклеевой смеси для ДСП [59]. В таблице приведены данные, иллюстрирующие
возможность сокращения расхода связующего с заменой меньшим количеством парафина при повышении прочности и особенно водостойкости образцов при одинаковом режиме горячего прессования.
Таблица. Физико-механические свойства лабораторных ДСП
σ
изг
Промышленная проверка показала, что способ позволяет сократить
расход карбамидоформальдегидной смолы на 10…15 мас.% при соответствии ДСП ГОСТ 10632–2014.
16. Принцип утилизации отходов как попытка расширения
сырьевой базы древесноплитного производства на
технологических линиях невысокой мощности
Сохранившиеся старые линии невысокой мощности, естественно, не
могут конкурировать с современными технологическими линиями, использующими пресса непрерывного действия мощностью порядка 500 тыс. м
3
/год.
Жизнеспособность предприятий может обеспечиваться креативными техническими решениями ограниченного масштаба. Например, производством
древесных плит специального назначения, спрос на которые существенно
65
ниже проектной мощности новых заводов. Отметим, что экономия на отсутствии амортизационных отчислений дополнительно способствует выживанию.
Один из возможных путей рентабельного производства заключен в
использовании сырьевой базы, не перспективной по малостности для мощных конкурентов. В частности, цех ДВП может использовать твердые отходы
ЦБК – отходы сортирования целлюлозы (непровар, сучки) и отходы сортирования щепы.
Предложена технология использования отходов сортирования целлюлозы [74], состоящая в прессовании плит, пропитки их модифицированным талловым маслом лиственных пород древесины при температуре 130 °С
и последующей термообработке при 165 °С в течение 4 ч. Расход масла составил порядка 10,5 мас.%. Из отходов сортировки целлюлозы получали
плиты, отвечающие требованиям на сверхтвердые ДВП (ГОСТ 4598–90).
Пропитка плит и термообработка являются обязательными.
В варианте отходов сортирования щепы требуется дополнить технологию проведением их размола. Получаются твердые ДВП. Отходы после
размола возможно смешивать с отходами сортировки целлюлозы, варьируя
соотношением и уровнем пропитки. Рекомендации по совместному использованию были реализованы на Светогорском ЦБК.
Отходы производства специальных видов бумаги также являются
потенциальным сырьем для плит при себестоимости, включающей затраты
на накопление и транспортировку отходов. В экономический расчет следует
включить затраты на утилизацию отходов другим способом. В работе [76]
рассмотрена технология использования ламинированной полиэтиленовой
бумаги (полиэтилена 18…20 мас.%) в производстве ДВП.
Отходы измельчали до волокнистой массы методом сухого диспергирования в молотковой дробилке и изготовляли плиты по сухому способу.
Для расплавления полиэтилена (110…130 °С) потребовалась термообработка, восполняющая низкий расход связующего (4,7 мас.%). По прочности
образцы приближались к контролю, но были более водостойкими: набухание
за 24 ч не достигало и 10 %. Плиты не токсичны по формальдегиду, содержа
ние которого оказывается на уровне 3,6…4,9 мг/100 г плиты. Рассмотренные
виды отходов могут найти применение на предприятиях с диверсифицированной технологией и использоваться периодически на отдельных выработках ДВП по мере накопления такого сырья.
Для плит строительного назначения проверялась возможность использования рисовой лузги, получаемой при шелушении риса. Частички
имеют форму лодочки длиной 5…10 мм. В составе лузги было обнаруже-
-
66
но: α-целлюлозы 30…36 мас.%, сернокислотного лигнина 19…24, золы
13…30 мас.%. Присутствуют белковые вещества.
В предлагаемой технологии [1] отсутствует за ненадобностью узел
получения стружки. Расход КФС увеличен. Прессование проводят на поддонах при температуре не выше 180 °С с увеличенным временем 60…90 с/мм
готовой плиты. Производство таких плит оказывается дотационным,
поскольку рисовая лузга почти не утилизируется и накапливается в отвалах.
Проблему сырья пытаются решить использованием различных однолетних растений. Солома заслуживает внимания в качестве сырья в тех регионах, где нет достаточных запасов древесины. Особенное ее значение состоит в перспективе на фоне глобального сокращения лесистости нашей планеты. В странах ЕС ежегодно образуются около 140 млн т соломы хлебных
злаков, а в мире накопилось более одного млрд. т злаковой и льяной соломы.
Различные публикации, в которых содержатся сведения по зарубежным работающим 30-ти технологическим линиям, отмечают особенности использования соломы как сырья для древесных плит:
x рыночная цена соломы в несколько раз меньше, чем древесины;
x наличие воска на поверхности стеблей, что ухудшает смачиваемость
полярными связующими;
x транспортировка на расстояния свыше 50 км не рентабельна;
x КФС не обеспечивает качество плит, а требуются изоцианатные связу-
ющие;
x возможно смешивать древесное сырье и солому в изготовлении ДСП.
В южных регионах нашей страны в перспективе можно ожидать
промышленного производства древесносоломенных материалов со своими
потребительскими свойствами. В Европе в связи с дефицитом древесного
сырья и переизбытком производственных мощностей к однолетним отходам
проявляют интерес различные фирмы. В частности
воила производство плит, содержащих до 30 % волокон однолетних растений, так называемую плиту BalanceBoard. Плита разработана совместно с
учеными Геттенгентского университета и позиционируется как базовая для
нового поколения древесных плит с плотностью на 30 % меньше, чем плотность у стандартных ДСП.
В Великобритании включают в производство плит отходы при
изготовлении MDF, которых образуется порядка 130 тыс. т ежегодно, да еще
столько же дают мебельные предприятия, использующие эти плиты.
Измельченные отходы выдерживают в воде, подвергают микроволновой
обработке при температуре 115 °С, разбивают и сушат. Анализ результатов
промышленных испытаний показал, что при доле rMDF 10…20 % в сос-
67
, компания Pfleiderer ос-
таве первичного сырья плиты остаются в пределах требований стандарта. О
рециклинге мебели сообщается в ряде зарубежных публикациях.
Во всех случаях перед предприятиями стоят проблемы сбора, транспортировки, хранения рассмотренных видов вторичного сырья, хотя задача рациональной утилизации отходов имеет важное не только социальное, но
и глобально-экологическое значение. Тогда расчет экономических доводов в
пользу того или иного решения должен базироваться на других основаниях,
чем это делается для стандартных технологий.
17. Принцип механического вспенивания ингредиентов с
последующей заливкой композита в формы или полости
конструкций с получением теплоизоляционного
строительного материала
В Европе на нескольких заводах по сухому способу вырабатываются теплоизоляционные древесноволокнистые плиты плотностью от 80 до
200 кг/м
3
. Актуальность их производства побудила попытаться создать легкий плитный материал с использованием гидролизного лигнина. Способ изготовления запатентован [11].
Технический лигнин образуется в качестве остатка от гидролиза рас-
тительного сырья. В его состав входят также трудногидролизуемые полисахариды, смолистые и гуминоподобные вещества, зола. Не находя полной
утилизации, лигнин накапливается в отвалах.
Плитный утеплитель на основе КФС и гидролизного лигнина представляет собой жесткий пенопласт высокой плотности, принципиально
отличный от мипоры. Лигнин сушат и обрабатывают антипиреном КМ [54].
В качестве вспенивающего агента используют поверхностно-активное вещество (ПАВ) марки ПО-3А; в качестве отвердителя – фосфорную кислоту.
Компоненты вспенивают в миксере, снабженном высокоскоростной мешалкой рамного типа, с последующим введением Н
. Последним во вспе-
3РО4
ненную композицию загружают подготовленный лигнин. Смесь заливают в
металлические формы по размерам изготовляемого плитного утеплителя.
Материал выдерживают без нагревания для завершения отверждения карбамидного связующего.
Для механического вспенивания требуется однородная консистенция,
определяемая вязкостью, наличие наполнителя для структурирования материала, связующего для фиксации структуры, ПАВ для образования пены.
При определенной скорости вращения рамной мешалки возникает стойкая в
течение 50…100 мин пена с кратностью вспенивания порядка 3…5.
68
Лигнин как наполнитель значительно повышает вязкость композиции.
Утеплитель
с лигнином
Пенопласт
ФК-20
Кажущаяся плотность, кг/м3
200
300
190…230
Разрушающее напряжение, МПа: при
Коэффициент теплопроводности,
1,0
0,9
1,1
1,0
1,0
0,06
0,07
0,055
Водопоглощение за 24 ч, %
40
35 – Набухание за 24 ч, %
5 4 –
Обработка лигнина антипиреном КМ улучшает смачиваемость лигнина КФС
и тем самым снижает вязкость композиции. Гидролизный лигнин содержит
свободные неорганические и органические кислоты (до 1,5 % в пересчете на
серную кислоту) и по этой причине способствует отверждению КФ-олигомера. Кислотность среды дополняется введением отвердителя, в качестве
которого выступает Н
. Его расход определяют с таким расчетом, чтобы
3РО4
стабильность пены позволяла заполнить композицией формы и вызвать
отверждение связующего прежде чем стойкость пены будет утеряна.
Соотношение компонентов оптимизировали по нескольким технологическим параметрам и прочностным характеристикам. Для получения материала плотностью 200 кг/м
3
разработана следующая рецептура компози-
ции (мас.%): КФС 67%-й концентрации – 59,7; ГЛ 15%-й влажности – 12,3;
КМ 50%-й водный раствор – 7,2; ПО-3А 3%-й концентрации – 3,4; фосфорная кислота 85%-й концентрации – 2,7; вода – 14,7. Материал может
изготавливаться плотностью 300 кг/м3, что позволяет снизить расход КФС.
Параметры материала приведены в таблице в сравнении с широко распространенным пенопластом ФК-20.
Таблица. Физико-механические характеристики пенопластов
Показатель
сжатии при изгибе
Преимущество плитного утеплителя помимо меньших затрат на
компоненты состоит в огнезащищенности. В стандартных испытаниях действием открытого огня по методу «керамической трубы» (ГОСТ 12.1.044–89)
установили, что показатель горючести равен 0,5, на основании чего материал
относится к группе трудногорючих. Коэффициент дымообразования составляет 127 м
2
/кг, и материал входит в группу Д2. Показатель токсичности
продуктов горения относит материал к классу T3 при H
Подавление процесса дымообразования достигается благодаря антипирену КМ (при его исключении плотность дыма возрастает в 3…4 раза).
Усадка, %
Вт/(м · К)
69
–
1
= 26 г/м3.
CL50
Снижается также токсичность продуктов горения, уменьшается выход оксида углерода – наиболее опасного соединения, вступающего во взаимодействие c гемоглобином и нарушающего передачу кислорода тканям. В классификационном отношении утеплитель остается в том же классе токсичности, что и древесина.
Материал хорошо выдерживает циклические испытания в климатической камере, легко обрабатывается пилением, из него на потоке возможно
дополнительно изготовлять сэндвич-панели посредством облицовки. Как вариант вспененная композиция может в течение не более 100 мин подаваться
на заливку пустот в строительных конструкциях. В таком случае подготовленный и обработанный антипиреном лигнин должен поставляться на стройплощадку к установленному высокооборотному смесителю для совмещения
компонентов [16].
18. Принципы интенсификации горячего прессования плит
посредством конвективного переноса теплоты
Явление переноса энергии в форме теплоты, его интенсификация при
горячем прессовании древесных плит имеет большое значение для повышения производительности (а значит и конкурентоспособности) заводов. В технологии плит, в мероприятиях по ее усовершенствованию необходимо ускорять процесс прогрева прессуемого брикета и обеспечить обязательные
превращения связующих и компонентов древесного вещества в как можно
более сжатые сроки. Поскольку превращения, обеспечивающие образование
плиты, протекают в условиях определенной температуры, то задача интенсифицировать теплопередачу от греющих плит пресса к стружечно-клеевой
композиции по всему сечению брикета
Теплопередача обеспечивается теплопроводностью и конвективным
переносом теплоты. Древесина в виде древесных частиц или волокон обладает низкой теплопроводностью. Тем более что капиллярно-пористая структура древесины, а также пустоты между структурными элементами древесных плит, заполнены воздухом и ухудшают теплообмен.
Для ускорения прогрева ковра за счет конвективного переноса теплоты в производстве ДСП применяют так называемый паровой удар. Распыленная на поверхности ковра вода при смыкании плит пресса быстро нагревается и испаряется, проникая вглубь ковра и, соприкасаясь с более холодными древесными частицами, конденсируется, отдавая теплоту среднему
слою. Фазовый переход с затратами тепловой энергии на испарение воды
2465 кДж/кг при обратном переходе пар – вода это же количество теплоты
возвращает на нагрев массы среднего слоя. Совместно с нагревом плитами
является актуальной.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]