Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Модифицирование древесных плит. Учебное пособие
.pdf
рукции КФ-полимера. Такое решение допустимо из-за большого запаса прочности наружных слоев как в отношении показателя прочности при изгибе,
так и модуля упругости.
Использование смолы МКФС увеличивает прочность и повышает модуль упругости плит. Показатель разбухания соответствует требованиям стандарта на ДСП влагостойкие (типы Р3, Р5, Р7). Плиты отвечают требованиям
EN 312 на конструкционные ДСП.
Для получения плит с показателями, соответствующим требованиям
на плиты типов Р5 и Р7 (несущие нагрузку во влажных условиях) необходимо использовать ФФС. В этом случае образцы характеризуются высокими
прочностью при изгибе, модулем упругости и устойчивостью к разбуханию.
Плиты отвечают требованиям EN 312.
Уровень снижения горючести всех типов плит при испытании в шахтной печи достигается при использовании антипирена амидофосфата КМ с
расходом 20…25 мас.%. Самостоятельное горение отсутствует, потеря массы
составляет 5,8…6,0 % при допускаемых 20, степень повреждения по длине
образца 29…37 % (допустимо до 65 %). При расходе КМ 25 мас.% плиты
полностью удовлетворяют требованиям Г1, а при расходе 20 мас.% исключение составляет только показатель температуры отходящих дымовых газов,
который составлял 140 °С при допустимых 135 °С. Интерполяцией расхода
КМ до 21 мас.% можно удовлетворить требованиям на плиты Г1. Группа
горючести Г2 должна изготавливаться с расходом КМ около 16…18 мас.%.
Следует, однако, заметить, что с изменением толщины ДСП (впрочем,
и всех других видов плит) горючесть может изменяться; она повышается с
уменьшением толщины, особенно когда древесноплитный материал переходит в группу термически тонких.
Таким образом, повышение уровня качества ДСП, вырабатываемых
на КФС, осуществляется путем проведения ряда мероприятий. Снижение
горючести ДСП обеспечивается с помощью эффективного огнезащитно
средства, а именно антипирена амидофосфата КМ. Для повышения водостойкости плит в качестве связующего используется МКФС, в свою очередь
атмосферостойкость материала достигается путем применения ФФС. Во всех
случаях предусматривается обязательное использование гидрофобизатора
(как правило, парафина).
го
22. Принцип запредельных состояний
Принцип предельных состояний систем используется в анализе достаточно широко, в том числе в ингибировании горения леса [22]. За некоторым
пределом любая система уже не функционирует. Не возникает ли за этим
81
пределом какое-нибудь качественно новое состояние, которое может оказаться полезным в практическом аспекте? Что там, за этим пределом? И
нельзя ли вырождение системы и тот вред обратить в пользу, шагнув за этот
предел.
Предельным состоянием ДВП в отношении плотности и соответственно основных параметров является минимальное значение показателя
порядка 100 кг/м
3
для мягких (изоляционных) плит. Ниже этого значения
материал не получается: отсутствует прочность, не держит форму, работать с
ним невозможно, хотя теплопроводность снижается и изолирующую функцию по мере снижения плотности он выполнял бы лучше.
Запредельным состоянием является дальнейшее снижение плотности
до 30…70 кг/м
3
. В этом случае форма волокнистого продукта обеспечивается
внешними ограничениями по месту применения материала. Древесная масса
волокон разъединена на расстояние с невозможностью создания условий для
межволоконного взаимодействия. Это так называемая эковата. Происхождением она обязана задаче утилизировать макулатуру. В 1950 г. в США стали
изготовлять материал с торговой маркой «целлюлозная эковата». В последнее время с развитием технологии использования эковаты путем вдувания в
пустоты конструкций и расширением сырьевой базы используется древесное
волокно как полуфабрикат промышленного производства ДВП по сухому
способу. Отпадает сбор, хранение и подготовка макулатуры, обеспечивается
однородность волокна.
Как строительный материал эковата должна отвечать требованиям
НПБ 244-97 и противостоять воздействию на неё биологических агентов
(грибов, жуков и др.) в различных условиях службы. Возникла необходимость огне- и биозащитной обработки массы. Простой способ состоит в
механическом смешении соответствующих модифицирующих добавок с древесным волокном и вдувания полученной массы в пустоты и полости конструкций. Если по условиям службы допускается сильное увлажнение или
прямое попадание воды на эковату, а также воздействие тепла знакопеременной температуры необходимо закреплять добавки химическим взаимодействием с древесным волокном.
При выборе модифицирующих добавок правильнее всего подходить
дифференцировано, выбирая свой компонент для огнезащиты и свой компонент для биозащиты. Такой выбор обусловлен различными механизмами
придания огнезащищенности [30, 52] и придания биостойкости [15]. В нашей
работе эковату модифицировали антипиреном КМ [10] и стандартным антисептиком из смеси борной кислоты и тетрабората натрия. Оказалось, что в
отношении снижения горючести компоненты действуют совместно, выполняя при этом свои основные функции. Установили важную особенность
82
огнезащиты ультралегких материалов. В отличие от древесных плит плотностью в диапазоне 500…1000 кг/м3, горючесть которых по мере снижения
плотности возрастает, эковата из древесного волокна в пределах изученной
плотности характеризуется обратной зависимостью, как это видно на рисунке.
Рисунок. Потеря массы при огневом испытании образцов древесного
волокна, содержащего антипирен КМ 15 (номер кривых 1, 3) и 25 (2, 4) и
смесь ББ 2 (1, 2) и 3 (3, 4), расход компонентов дан в мас. ч
Обоснование неожиданного результата основывается на колориме-
трической оценке горючего. Горение невозможно при условии
К
= q
/qн, если Кг ˂ 1,
г
тэо
где q
– тепловой эффект образца или максимальное при варьировании
тэо
условий испытания количество выделяемого образцом тепла в расчете на
единицу массы; q
ждения q
, самые невыгоднейшие условия для пожаротушения.
тэо
Поскольку q
снижение плотности приводит к снижению теплового эффекта, а присутствие
антипирена приводит к существенному угнетанию тепловыделения этой
уменьшающейся массой испытуемого образца. Принято, если К
риал трудногорючий, если Кг ˂ 2,1 материал трудновоспламеняющийся.
Таким образом, получивший распространение в ряде стран, включая
Россию, метод вдувания эковаты в пустоты конструкций для их монолитизации нуждается в придании эковате рациональной огне- и биозащиты.
Низкая плотность обеспечивает хорошую тепло- и звукоизоляцию. Запредельные условия определяются простотой установки с одновременным моди-
– количество тепла, подводимого к образцу для нахо-
н
определяется массой образца и теплотой сгорания, то
тэо
˂ 0,5 – мате-
г
83
фицированием материала по месту его службы. Вдувание обеспечивает монолитизацию изоляции, здесь не требуется стыковки швов, источников
дефектов, доступен объем пустот любой геометрической формы, не требуется прессов и сушилок для изготовления плит, нанесение обходится минимумом энергетических затрат, а расход сырья по сравнению с изготовлением
изоляционных ДВП сокращается в 5…10 раз.
Принцип выхода за пределы общепринятых компонентов для модифицирования, а также способов или технологий в общем случае открывает
возможность создания нового технического решения с преодолением определенного технического противоречия. А это предполагает для технолога возможность патентования состава, способа или нетипичного применения. Для
конструкторов объектом патентования может являться устройство, с помощью которого эковата устанавливается (вдувается) в полости и пустоты
конструкций. И хотя технология эковаты уже действует, но – как известно – нет предела совершенству.
23. Принцип разделения операций
С целью уменьшения энергозатрат на сушку стружки и исключения
пересушивания отдельных древесных частиц массу перед сушкой разделяют
по крупности на фракции – фракция внутреннего и фракция наружного слоёв
ДСП. Разделённую массу сушат в два потока по дифференцированным
режимам до также разной технологической влажности. Принцип разделения
операций сушки реализован на двухпоточных технологических схемах. Остаются ещё в работе однопоточные схемы, в которых разделение на фракции
наружных слоёв и внутреннего слоя производится перед формированием
ковра. При производстве ДСП Hard Flame по ГОСТ 32398-2013 «Плиты
древесностружечные огнестойкие, ТУ» на линии ДСП ЗАО «Плитспичпром»
(г. Балабаново) обработку стружки антипиреном КМ [10] проводили в одном
общем потоке с последующем разделением на два потока – для внутреннего
и наружных слоёв.
На внутренний слой плит идут частицы со средним размером (0,8 ×
× 10 × 30) мм, для наружных слоёв (0,25 × 1,5 ×
5) мм. Упрощённо моде-
лируя частицы в форме куба, рассмотрим различие в уровне обработки двух
частиц с одинаковой удельной свободной поверхностной энергией. Раствор
КМ наносили с помощью форсунки. Частицы с ребром куба 1 мм и 5 мм.
2
Площадь поверхности S их составит 6 мм
3
125 мм
. Тогда уровень потенциальной обработки (S/V) составит соотве-
и 150 мм2, объём V 1 мм3 и
тственно 6 и 1,2, то есть на мелкую частицу по расчёту придётся в 5 раз
больше раствора, чем на крупную.
84
Расход КМ 15 % абс. сух. вещества в абс. сух. стружке. Стружку
Показатель
ОДСП
Требования
Плотность, кг/м3
622
550…820
Прочность при изгибе, МПа
15,8
Не менее 11,5
Прочность при растяжении
перпендикулярно пласти, МПа
0,26
Не менее 0,24
Разбухание по толщине, %:
– за 2 ч
16,2
Не нормируется
– за 24 ч
20,7
Не нормируется
сушили в барабанной сушилке до влажности 2,0…3,5 %. Использовали
меламинокарбамидоформальдегидную смолу. Для полной конверсии связующего, затруднённой присутствием КМ, в связующее по патенту [57] вводили протектор прессования 2–2,5 %. Расход смолы составил: наружный слой
13,6 %, внутренний 7,9 %.
Формировали непрерывный трёхслойный ковёр. Доля стружки нару-
жных слоёв составляла 38 %, внутреннего 62 %. Плиты форматом 11 010 ×
× 2 440 мм прессовали в однопролётном гидравлическом прессе. Режим
прессования: температура 180…185 °С, максимальное удельное давление
3,0 МПа, продолжительность 0,35…0,40 мин/мм толщины готовой плиты.
Таблица. Физико-механические показатели выработанных
огнезащищённых ДСП и требования к плитам «Hard Flame»
При испытании материала в шахтной печи в пламени газовой горелки
(НПБ 244-97) обнаруживается различие в поведение слоёв испытуемой
плиты. Это видно по величине экзотермического эффекта в К-фазе, косвенно
регистрируемого как температура отходящих дымовых газов (рисунок). На
первом участке (до 5 мин испытания) наружный слой толщиной порядка
1 мм и состоящий из мелких древесных частиц с большей долей антипирена
обеспечивает меньшую степень возгорания материала и меньший тепловой
эффект. Затем процесс зажигания распространяется на второй участок
(внутренний слой плиты), обусловленный поведением более крупных частиц
с меньшей долей антипирена. Тепловой эффект процесса возрастает,
стабилизируясь на несколько большем уровне.
85
Рисунок. Температурный график испытания трехслойной
огнезащищенной ДСП толщиной 16 мм (пунктир – нормативы для
материалов группы Г2 и Г1)
Плиты прошли успешные испытания в сертифицированных организациях и характеризуются как соответствующие нормам: группа горючести
Г2, дымообразующая способность Д2, класс опасности по эмиссии формальдегида Е1. Показатели могут быть улучшены увеличением расхода КМ. При
увеличении расхода КМ до 25 % достигаются не только группа Г1, но и Д1,
Т2 и Е0. Огнезащищенные ДСП предназначены для использования в производстве мебели и в строительстве.
Таким образом, разделение операций обработки стружки на два потока существенно улучшает качество оДСП, и при том же расходе антипирена
продукция может войти в группу горючести Г1.
24. Принцип ресурсосбережения путем макроструктурного
модифицирования
В данной статье под макроструктурным модифицированием понимаем изменение состава плитных материалов включением в их структуру
различных недревесных компонентов (однолетних растений и продуктов их
переработки), а также изменение самой структуры материала при наборе
составляющих из отходов при изготовлении стандартных древесных материалов или специально изготовляемых для последующего использования в
структуре панельного изделия. Во всех вариантах цель состоит в ресурсосбережении (заменой древесины, а также за счет более полного использования сырья или нетрадиционных источников, в получении дополнительных отличительных признаков, как то: снижение массы квадратного метра
(термин «плотность» к немонолитной и неоднородной структуре такой
скорее конструкции, чем плиты не совсем подходит), в способности по
86
своему назначению заменить традиционные материалы и др. Когда говорится
про улучшение, то это может распространятся только на некоторые (или
некоторый) параметр, тогда как другие могут не соблюдаться, но это параметр является ведущим в данном конкретном применении плиты или панели.
Непосредственно в массу древесных частиц в определенной доле
добавляют подготовленные однолетние растения. Среди них костра, солома,
лузга. Одревесневшая часть стеблей льна, конопли, кенафа называется
кострой и составляет до 70 % массы растений, содержит целлюлозу, лигнин,
гемицеллюлозы. Опыт применения костры в производстве ДВП по мокрому
способу восходит к концу 50-х годов. Солому в виде сечки используют в
производстве ДСП и ДВП в экспериментальном порядке, особенно перспективна солома для безлесных районов.
Попытки включить подсолнечную лузгу в структуру древесно-плитных материалов обусловлены не только сбережением такого важного ресурса как древесина, но и необходимостью утилизировать отходы, образующиеся при производстве подсолнечного масла. По технологии ДСП образцы
плит исключительно из лузги не получаются, прочности нельзя достичь ни
разумным расходом фенолоформальдегидной смолы, ни ужесточением
режима прессования. При плотности образцов около 600 кг/м
3
σ
≈ 5 МПа.
изг
Перемешивание с древесной стружкой в соотношении 50/50…75/25 повышает плотность, но не обеспечивает достаточной прочности, поскольку слабым
местом в структуре являются микроконтакты стенок лузги между собой. По
ним и происходит рост трещин разрушения. Тем более лузга оказывается
менее термостойка чем древесина.
Решение лежит в изменении структуры «древеснолузговой» плиты:
наружные слои формируются из осмоленной древесной стружки, а внутренний слой из осмоленной лузги. Наружные слои обеспечивают работу плиты
на изгиб, внутренний слой работает как тепло- и звукоизоляционный. «Спрятанная» во внутренний слой лузга не деструктирует при прессовании плит
при температуре 200…220 °С Структура такой плиты по прочности на изгиб
соответствует стандарту на ДСП общего назначения, характеризуется удовлетворительной водостойкостью и может найти применение в изготовлении
внутренних перегородок, межкомнатных дверей и по другому строительному
назначению, а доля лузги вследствие такого макроструктурного решения
составит 60…70 % массы плиты и таким образом эффективно сберегает
древесное сырье, с одной стороны, и утилизируется лузга, с другой.
Более затратное модифицирование лузги приводит к получению материала по схеме производства ДВП. Научной основой, развиваемой школой
академика П.А. Ребиндера (1898–1972), служит подход физико-химической
87
механики, согласно которому для создания прочных материалов нужны системы с сильно развитой межфазной поверхностью. Система из частиц лузги
не отвечает этому условию: отношение поверхности к массе в отдельной
частице слишком мало. Увеличить поверхность и свободную поверхностную
энергию частиц с ростом их гибкости можно, если исходить из анатомического строения лузги и выделить волокнистый компонент, используя
известную технологию варки полуцеллюлозы с высоким выходом до 80 %.
Получается тонкая волокнистая плита, область применения которой связана с
бытовым назначением в условиях, не подверженных действиям воды.
Идея использования внутреннего слоя как объекта модифицирования
за счет изменений в конструкции без изменения химического состава компонентов используется в разных технических решениях. Наружными слоями
являются ДВП, MDF, ДСП, а внутренний слой, соединяемый путем склеивания с наружным выступает либо в форме пенопласта из полистирола, либо используется бумажная ячеистая конструкция, как в разработке австрийской компании Egger, назвавшей материал тамбуратом. Его плотность
составляет примерно 300 кг/м
3
. На рынке известен материал H-Corr Panels, в
котором в качестве внутреннего слоя расположен гофрированный картон. В
качестве внутреннего слоя пригоден любой материал, выдерживающий
расчетную нагрузку на сжатие и обеспечивающий жесткость. Так, по патенту
[61] предлагаются картонные гильзы, части которых нарезаны в виде шайб,
высота их определяет толщину внутреннего слоя. Они располагаются
вплотную либо на расстоянии друг от друга. Плотность такого материала
варьируется и примерно в 2 раза легче ДСП.
Угрюмов С.А. с сотрудниками получили несколько патентов на панели с внутренним слоем из отходов фанерного производства в виде реек. Они
образуют жесткую решетчатую конструкцию, а в качестве наружных слоев
используется лущеный шпон [71].
В целом структурные решения по созданию панелей с использованием плит, строго говоря, не относятся собственно к древесным плитам, хотя
служат для их замены и некоторым развитием для использования в производстве мебели и строительстве. Объем практического использования ограничен.
Упомянем еще три принципа.
Принцип разрушить, чтобы воссоздать касается зарубежного опыта
утилизации старой мебели с получением древесных частиц, которые в рецептуре могут составлять 20…40 % свежей стружки. Смесь частиц идёт на производство ДСП, а плиты, в свою очередь, используются в мебельном производстве.
88
Принцип предварительного исполнения («подложить соломку») реа-
лизуется в защите леса от развивающегося низового пожара опрыскиванием
полосы водным раствором антипирена КМ до приближения фронта пожара
[22] это в 5 раз эффективнее, чем тушить традиционно водой. В публикации
рассмотрены подробности и преимущества.
Принцип копирования состоит в замене объекта оптической копией,
например для учета балансов, перевозимых любым транспортом, с использованием фотообмера.
Эти принципы относятся к ресурсосбережению производства как
плит общего назначения, так и модифицированных.
89
3. Техническое творчество
Творчество – деятельность человека, заключающаяся в создании новых и имеющих общественное значение материальных и духовных ценностей. Когда говорим о техническом творчестве, то имеем ввиду деятельность в
науке и производстве. В современной науке принято выделять три основных
уровня: фундаментальные исследования, прикладные исследования и разработки. Эти три уровня находятся в органичном взаимодействии и развитии.
Техника в широком смысле есть средство труда, развивающееся в системе
общественного производства, а также процесс воздействия средств труда на
предмет труда.
Развитие техники зависит от развития науки. Открытие новых законов природы предопределяет развитие техники. Иногда даже не законы, а
отдельные закономерности, отдельные положения, появившиеся знания служат поводом для технического творчества. Уровень решений, их результативность, общий технический прогресс зависят от личностей, от социальных
задач и общей творческой атмосферы.
В нашей отрасли исследователь изучает закономерности образования
древесных плит, механизм превращений в присутствии модификаторов и
устанавливает принципиальные возможности придания плитам определенных заданных свойств. На основании этой информации разработчик создает
технологию изготовления таких плит, оптимизирует основные параметры.
Потенциальный изготовитель изучает возможности продвижения продукта
на рынок, организует проектирование, строительство, освоение, производство, продажу. Это всегда разные физические и юридические лица. Их отношения на всех этапах регулируются в том числе авторским правом, правом
на секрет производства (ноу-хау) и патентным правом как объектами интеллектуальной собственности [69].
3.1. Изобретательство
Техническое творчество приводит к новому решению, результатом
которого является способ, в частности изготовления древесных плит, или
состав, в частности реакционная смесь для модифицирования плит, или конструкция, в частности устройство для обработки древесных частиц, или применение известного по-новому. Если такое решение отвечает требованиям
новизны и полезности, можно оформлять техническое решение как изобре-
тение.
Если новизна «не проходит» при аналитической проверке или авторы
не считают нужным проводить патентный поиск, они могут подать раци-
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]