ПЛОТНИКОВА ГАЛИНА ПАВЛОВНА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ НА ОСНОВЕ
advertisement
На правах рукописи ПЛОТНИКОВА ГАЛИНА ПАВЛОВНА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СВЯЗУЮЩИХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕКОНДИЦИОННОЙ ДРЕВЕСИНЫ 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Красноярск - 2011 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В основных направлениях развития производства древесностружечных плит намечены и реализуются планы по повышению качества и увеличению производственных мощностей реконструкцией действующих цехов и строительством новых заводов. В связи с увеличением производственных мощностей в последние годы обнаруживается тенденция снижения запасов здорового сырья, его дефицитности и возникает необходимость вовлечения в технологию неиспользуемых отходов, не находящих применения из-за несоответствия их приемочным требованиям. На территории Сибири в настоящее время находится большое число мелких лесопильных и деревообрабатывающих предприятий действующих и ликвидированных в течение последних десяти лет. Отходы таких предприятий по тем или иным причинам не использовались и пролежали на открытом воздухе более 1-2-х лет, а применение их сегодня в различных производствах должно подкрепляться научными основаниями, обеспечивая, таким образом, качество и безопасность выпускаемой продукции. Кроме того, очищение территорий от указанных отходов способствует повышению экологичности и уменьшению пожароопасности полигонов. Вопросами утилизации неиспользуемых отходов занимаются многочисленные ученые как в России, так и за рубежом, поэтому их вовлечение в технологию производства древесностружечных плит является вполне своевременной и актуальной задачей. Настоящая работа посвящена исследованию возможности использования в производстве древесностружечных плит некондиционного сырья – отходов деревообрабатывающих и лесопильных производств, находившихся на открытом воздухе более года. Актуальность темы обусловлена необходимостью расширения номенклатуры сырьевой базы, повышения эффективности производства древесностружечных плит за счет увеличения производительности головного оборудования, уменьшения себестоимости готовой продукции с сохранением качественных показателей последней. Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение эффективности производства древесностружечных плит за счет вовлечения в технологию неиспользуемых отходов деревообрабатывающих производств, находившихся на открытом воздухе более года. Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи: - обосновать состав древесной композиции и содержание в ней некондиционного сырья; 3 - обосновать составы растворов, обеспечивающих компенсацию кислотности некондиционного сырья; разработать оптимальные стружечно-клеевые композиции, обеспечивающие получение древесностружечных плит, соответствующих требованиям отечественного и европейского стандартов; - разработать рациональные технологические режимы производства плит; - разработать математическую модель описания технологического процесса производства древесностружечных плит, позволяющую прогнозировать их качественные показатели и определять оптимальные параметры режимов прессования; - рассчитать экономическую эффективность разработки. Научная новизна. 1. Исследована и доказана возможность использования некондиционного сырья в производстве древесностружечных плит. 2. Установлены сырьевые составы и составы клеевых композиций, обеспечивающие компенсацию отрицательного влияния кислотности некондиционного сырья на качественные показатели древесностружечных плит. 3. Впервые разработана математическая модель описания процесса изготовления ДСтП с использованием некондиционного сырья, позволяющая определять оптимальные технологические режимы и прогнозировать качественные показатели плит. На защиту выносятся: обоснование составов древесных композиций, содержащих некондиционное сырье; - обоснование составов клеевых композиций, обеспечивающих компенсацию кислотности некондиционного сырья; - обоснование составов стружечно-клеевых композиций, обеспечивающих получение древесностружечных плит, соответствующих требованиям ГОСТ 10632-2007; - обоснование рациональных технологических режимов изготовления ДСтП; - математическая модель описания процесса изготовления ДСтП, позволяющая прогнозировать качественные показатели и определять оптимальные параметры режимов изготовления плит. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью разработанных уравнений регрессии; современными средствами научных исследований, включая спектрофотометрию; положительными результатами разработки, внедренными в производство. Личный вклад автора. Вклад автора заключается в постановке и решении задач теоретического, 4 экспериментального и прикладного характера. Автором выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации научных работ. Апробация paботы. Результаты проведенных исследований докладывались на международных конференциях: «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Украина, 2010), IV, V – й конференциях «Леса России в XXI веке», Санкт-Петербург, ЛТА, 2010; Всероссийских научно-технических конференциях: VII, IX, X – й конференциях «Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири» (Братск, БрГУ, 2008-2011); «Химико-лесной комплекс – проблемы и решения» (Красноярск, СибГТУ, 2010), а также городских научно-технических конференциях «Молодая мысль – развитию лесного комплекса» (Братск, 2010, 2011). Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 научных печатных работах, в т.ч. в 3-х рецензируемых ВАК. Получено положительное решение по заявке на изобретение в Роспатент от 24.06.11 г. (Регистрационный номер заявки 2010110847) Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка литературы из 112 наименований, 2 приложений, 78 страниц текста, содержит 37 рисунков и 39 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, отмечена научная новизна, выносимые на защиту основные научные положения, сформулированы цель и задачи исследования. Содержатся сведения о месте проведения и апробации работы, внедрения результатов в производство, структуре и объеме диссертации. В первой главе проведен анализ состояния исследуемого вопроса, намечены основные перспективы производства древесностружечных плит в России и за рубежом по данным Госстатотчетности и аналитического обзора ВНИИДрев, проведен исторический обзор использования отходов в различных отраслях промышленности. На основании аналитического обзора выявлены основные проблемы развития производства древесностружечных плит и факторы, сдерживающие их дальнейшее эффективное развитие, выявлены возможные пути снижения материалоемкости, себестоимости изготовления плит с одновременным улучшением экологической и пожароопасной обстановки территорий нашей страны. Установлено, что одним из основных сдерживающих факторов развития производства 5 древесностружечных плит является все обостряющийся дефицит сырьевой базы, требующий вовлечения в технологию не используемых ранее сырьевых материалов, а также высокая стоимость ДСтП, обуславливающая неконкурентоспособность отечественных плит на мировом рынке. Поэтому вовлечение неиспользуемых отходов производств в технологию плит с одновременным снижением их себестоимости на сегодняшний день - одна из важных задач. Работы по исследованию характеристик некондиционной древесины, не соответствующей приемочным требованиям для различных производств, проводились в ЦНИИМЭ, МЛТИ, НПО ЦК.ТИ им. И. И. Ползунова, Ленинградском политехническом институте, и других научноисследовательских организациях в России и за рубежом, было доказано, что эта древесная биомасса мало отличается от кондиционной древесины, а, следовательно, целесообразность ее использования неоспорима. Однако опыт использования некондиционного сырья в производстве древесностружечных плит в России отсутствует. Таким образом, можно сделать заключение о целесообразности проведения исследований, направленных на разработку технологии ДСтП с использованием для ее производства некондиционной древесины. Во второй главе выдвинуты основные теоретические предпосылки, определяющие возможность использования некондиционного сырья в производстве древесностружечных плит. Некондиционное сырье, используемое в данной работе, представляет собой отходы – горбыль и сбеговые рейки темно-бурого цвета, не используемые более 1,0-2-х лет. Таблица 1 - Изменение уровня рН сырьевой смеси от содержания в ней стружки из некондиционного сырья Соотношение сырья 10/90 20/80 30/70 40/60 50/50 60/40 100/0 некондиция/кондиция рН 6,86 6,65 6,41 6,18 5,98 5,76 5,54 Согласно представленных результатов исследования, увеличение содержания некондиционного сырья в общей массе сырья приводит к увеличению кислотности последнего (табл. 1), что может привести к преждевременному отверждению связующего особенно в поверхностных слоях ковра древесностружечных плит, подвергающихся наиболее интенсивному прогреву в процессе прессования, и, таким образом, - к снижению прочностных характеристик и сортности готовых плит. На основании изложенного, принято решение использовать некондиционное сырье только в составе композиции внутреннего слоя. 6 Для сравнения химического состава, наличия и количества реакционноспособных функциональных групп был проведен анализ ИКспектров здоровой древесины и древесины некондиционного сырья (рис.1). а) б) Рисунок 1 – ИК-спектр древесины: некондиционного сырья (а) здорового сырья (б). Сравнивая спектры некондиционного сырья и здоровой древесины, можно отметить, что они мало отличаются друг от друга. Отличие спектров состоит в наличии в древесине некондиционного сырья соединений кислого характера (колебания сульфогруппы S=O в сульфокислотах R-SO3Н, предельных и непредельных сульфоокисях, что свидетельствует о повышенной кислотности исходного сырья)и отсутствии одной полосы колебаний, соответствующей функциональным группам целлюлозы, что определяет несколько меньшую молекулярную массу представленного полимера целлюлозы и гемицеллюлоз. Зависимость физико-механических характеристик древесностружечных плит от содержания некондиционного сырья в составе пресскомпозиции представлена на рис.2 Анализ представленных на рис.2 зависимостей позволяет сделать заключение о том, что качественные характеристики древесностружечных плит при добавлении в состав пресскомпозиции стружки из некондиционного сырья до 20% снижаются незначительно – прочность при изгибе - на 5-7%, прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты и разбухание по толщине за 24 ч – на 9-11%, а при большем ее добавлении – до 20 и 30-35% соответственно, но при этом полностью соответствуют требованиям стандартов. Различают три стадии развития гнили: первую, когда изменяется только цвет древесины: вторую, когда древесина частично изменяет структуру и твердость; третью, когда древесина полностью утрачивает твердость и прочность. Ультрафиолетовое излучение совместно с водой, 7 а) б) Рисунок 2 – Зависимость физических (разбухание по толщине за 24 ч. (а)) и механических (б) (пределов прочности при изгибе (1) и растяжении перпендикулярно к пласти плиты (2)) характеристик древесностружечных плит от содержания некондиционного сырья в составе пресскомпозиции температурой, кислородом и другими внешними воздействиями (грибки, соединения серы) способны привести к окислению древесины и дальнейшему ее постепенному разрушению. Причиной разрушения клеточных стенок грибами является процесс гидролиза целлюлозы, объем клеточных стенок при этом изменяется, в клеточных стенках появляются многочисленные продольные и поперечные трещины, в гемицеллюлозах уменьшается количество легкогидролизуемых веществ, которые переходят в лигнины. Как известно грибы, поражающие древесину, наиболее интенсивно развиваются в слабо кислой среде. Учитывая то, что рН некондиционной древесины составил 5,54 (табл.1), данные спектрального анализа, а также то, что физико-механические показатели древесностружечных плит ухудшаются при изготовлении их с использованием некондиционного сырья, можно констатировать наличие дереворазрушающих грибов в древесине определенного рода и стадию некондиции отнести ко второй. Нахождение древесины длительное время на открытом воздухе под действием кислорода, солнечных лучей, способствует, таким образом, появлению в ее структуре кислот, которые инициируют прохождение медленного гидролиза гемицеллюлоз и аморфной части макромолекулы целлюлозы из-за отсутствия трехмерного порядка в этой ее части с образованием целлодекстринов и олигосахаридов, а, следовательно, несколько уменьшается молекулярная масса полимера. В связи с изложенным, а также из теоретических предпосылок принято решение компенсировать отрицательное влияние морфологических характеристик, повышенной кислотности стружки, полученной из некондиционного сырья, на качественные показатели ДСтП, для чего предлагается создать оптимальную сырьевую и клеевую композиции плит 8 с использованием модифицированного связующего и заменой части кондиционной щепы на стружку-отход от оцилиндровки круглых сортиментов, что даст дополнительный экономический эффект. Отходы от оцилиндровки круглых сортиментов представляют собой стружку лепесткового вида из натуральной здоровой древесины, в основном, заболонной части ствола. Выбор стружки-отхода вызван также возможностью дополнительного вовлечения некондиционного сырья из здоровой древесины в производство древесностружечных плит. Влияние стружки-отхода на качественные показатели ДСтП исследовалось по режимам технологического регламента, используемого на производстве. Результаты экспериментов представлены на рис. 3. а) б) Рисунок 3 – Зависимость физических (разбухания по толщине за 24 ч (а)) и механических (пределов прочности при изгибе (б) и растяжении перпендикулярно к пласти плиты (б)) показателей древесностружечных плит от содержания стружки-отхода от оцилиндровки круглых сортиментов в пресскомпозиции ДСтП Анализ представленных на рис. 3 зависимостей позволяет сделать заключение о том, что увеличение содержания стружки-отхода в общей пресскопозиции приводит к небольшому снижению прочности древесностружечных плит при изгибе на 4-6%, но при этом положительно влияет на прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты и разбухание по толщине за 24 ч (при количестве ее введения до 30%). Эти выводы хорошо согласуются с результатами, полученными Шварцманом Г.М, Щедро Д.А. Объясняется это тем, что «неплоская (закругленная) стружка-отход от оцилиндровки частично располагается не в плоскости плиты, а под углом. В результате этого, сопротивление растяжению плит перпендикулярно пласти оказывают не только клеевые швы, но и волокна древесины». Прочность ДСтП при растяжении перпендикулярно к пласти плиты и разбухание ее по толщине за 24 ч. определяются, большей частью, характеристиками стружечно-клеевой композиции внутреннего слоя, что 9 дает основание выдвинуть предположение о возможности некоторой компенсации отрицательного влияния некондиционного сырья в составе внутреннего слоя на качественные показатели ДСтП введением стружки из здоровой древесины (стружки-отхода от оцилиндровки круглых сортиментов). Осуществить задачу нейтрализации кислотности некондиционного сырья нами предложено созданием новой клеевой композиции внутреннего слоя, включающей помимо стандартных компонентов парафиновую эмульсию, модифицированную буроугольным воском, выбор которого обоснован его химическим составом (является эфиром одноосновных насыщенных карбоновых кислот нормального строения и спиртов), наличием реакционноспособных функциональных групп (алифатических и фенольных гидроксилов, карбоксилов), а также химическими и поверхностно-активными свойствами. Кроме того, известно, что парафин хорошо сплавляется с буроугольным воском при температуре 100-1100С, а модельные соединения на основе сплавления парафина и воска обладают в 1,5-2,0 раза большей прочностью, чем соединения на основе сплавления парафина со стеарином. ИК-спектр буроугольного воска представлен на рис. 4. Рисунок 4 – ИК-спектр буроугольного воска В спектре буроугольного воска были обнаружены карбонильные группы, присущие сложным предельным алифатическим эфирам и карбоновым кислотам, а также гидроксильные группы фенольного происхождения. Наличие этих групп в воске, а, соответственно, в эмульсии, дает нам основание предполагать возможность создания химических связей эмульсии со связующим, а также с функциональными группами древесного вещества, что будет способствовать улучшению качественных показателей готовых плит. В этой же главе приведены результаты поисковых исследований влияния модификатора на свойства парафиновой эмульсии. 10 Рисунок 5 – Зависимость физико-технологических характеристик эмульсии от содержания в ней буроугольного воска: 1-вязкости условной по ВЗ-246, с.; 2 - рН, ед. Согласно зависимостям, представленным на рис.5, вязкость эмульсии с заменой части парафина буроугольным воском сначала уменьшается (до 11 сек.) до соотношения парафин/воск: 60/40, а затем стабилизируется на одном уровне. Следовательно, модификация буроугольным воском способствует стабилизации вязкости эмульсий, что достигается, как правило, введением компонентов, обладающих поверхностно-активными свойствами. рН эмульсии с добавлением буроугольного воска монотонно снижается. Однако, для нейтрализации влияния кислотности некондиционного сырья, рН эмульсии не должен быть менее 7 ед. Поэтому с целью предотвращения резкого уменьшения рН связующего, принято решение изготавливать эмульсию в соотношении парафин/воск: 60/40. ИК-спектры карбамидоформальдегидной смолы, модифицированной парафино-буроугольной эмульсией в сравнении со спектром чистой карбамидоформальдегидной смолы представлены на рис. 6. а) б) Рисунок 6 - ИК-спектры карбамидоформальдегидной смолы а) – модифицированной парафино-буроугольной эмульсией; б) – чистой. Сравнивая спектры можно увидеть, что количество алифатических гидроксилов в модифицированной эмульсией карбамидоформальдегидной смоле увеличилось, чем по сравнению со спектром чистой КФС, а также 11 появились новые метиленовые связи в молекуле связующего. Наличие новых функциональных групп (алифатических гидроксилов) и метиленовых связей в молекуле карбамидоформальдегидного связующего дало нам основание предполагать о возможном увеличении когезионной прочности связующего и адгезионной прочности на границе связующеедревесина, что, в свою очередь, позволяет сделать предположение о том, что это приведет к некоторому увеличению прочностных показателей готовых плит. Таким образом, принимая характеристики водоотталкивающего элемента, буроугольный воск может в данном случае считаться модификатором карбамидоформальдегидных смол. Результаты поисковых исследований влияния характеристик эмульсии на качественные показатели древесностружечных плит представлены на рис.7 а) б) Рисунок 7 – Зависимость физических (а) (влажность (1), разбухание по толщине за 24 ч (2)) и механических (б) (пределов прочности при изгибе (1), при растяжении перендикулярно к пласти плиты (2)) показателей древесностружечных плит от содержания эмульсии в связующем внутреннего слоя Анализ представленных на рис. 7 зависимостей позволяет сделать заключение, что увеличение содержания эмульсии во внутреннем слое до 5-7 м.ч. приводит к возрастанию влажности плит, что, обуславливает повышение пластичности древесного вещества. Наличие в макромолекулах эмульсии карбоксильных групп улучшает адгезионное взаимодействие клеевой композиции с компонентами древесины. Увеличение поперечных связей в модифицированном связующем дает нам основание для предположения о возможном повышении когезионной прочности связующего, что подтверждается прочностными характеристиками готовых плит. Выдвинутые теоретические предположения и результаты поисковых экспериментальных исследований дают основание для использования парафино-буроугольной эмульсии в составе связующего внутреннего слоя для нейтрализации кислотности некондиционного сырья. Однако, 12 требуется проведение дополнительных экспериментальных исследований по разработке режимов производства плит, соответствующих по качеству требованиям стандартов. В третьей главе изложены методики проведения экспериментальных исследований, представлены характеристики применяемых веществ и материалов, методов и средств измерения, применяемого оборудования и приборов, расчетные формулы и уравнения. Физико-химические свойства карбамидоформальдегидных смол и клеев на их основе такие как: водородный показатель рН, время желатинизации при 100°С, условная вязкость (по ВЗ - 246) определялись по методикам, приведенным в ТУ 2221-870-55778270-2009 «Смолы карбамидоформальдегидные для материалов на основе древесины марки «Карбона». Технические условия», испытания древесностружечных плит с целью определения их физикомеханических показателей осуществляли в соответствии с действующим ГОСТ 10632-2007 «Плиты древесностружечные. Технические условия». Спектральное ИК-исследование проводилось в соответствии с инструкцией к прибору с Фурье-преобразованием модели IRPrestige-21 производства SHIMADZU (Япония) Результаты экспериментальных исследований обрабатывали методами математической статистики. В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по определению возможности использования некондиционного сырья в производстве древесностружечных плит. На лабораторном прессе изготавливались плиты с размерами 300x400x17,5 мм, для испытаний использовалась только средняя часть образца. Плиты изготовливались при расходе связующего 12-14% к массе стружки по сухому веществу для различных слоев. Порода древесины: 100% сосна. Продолжительность прессования варьировалась от 0,23 до 0,29 мин./мм. Температуру плит пресса варьировали на уровнях: 180, 190, 2000С. На рис. 8 представлены зависимости физико-механических характеристик древесностружечных плит, изготовленных на модифицированном связующем от продолжительности прессования с использованием кондиционной древесины при варьировании температуры от 180 до 2000С. Согласно анализа полученных зависимостей максимальная прочность ДСтП при растяжени перпендикулярно к пласти плиты достигается при температуре прессования 1800С за 4,5-4,75 мин., при 1900С - за 4,25-4,5 мин., при 2000С – за 4,0-4,25 мин. Такая же тенденция наблюдается и для параметра разбухание по толщине за 24 ч. Для прочности ДСтП при изгибе эта тенденция слабо выражена. 13 а) б) в) Рисунок 8 – Зависимость пределов прочности ДСтП при изгибе (а) и растяжении перпендикулярно к пласти плиты (б), разбухания по толщине за 24 ч (в) от продолжительности прессования при различной температуре плит пресса: 1 – 1800С, 2 – 1900С, 3 – 2000С. Продолжительность прессования при стандартном сырьевом составе и стандартной композиции связующего составляет 0,27 мин/мм. При изготовлении ДСтП на модифицированном связующем требуемая прочность плит достигается при продолжительности прессования на 0,020,03 мин/мм меньше и составляет 0,24-0,25 мин/мм. Объясняется это повышением реакционной способности связующего и образованием новых функциональных групп, что в конечном итоге обеспечивает ускорение процесса отверждения и рост прочности. Т.е. взаимодействие функциональных групп связующего и древесины и между собой, процесс сшивания полимера с одновременным ростом макромолекулы и образованием трехмерной сетки протекает несколько быстрее. Это говорит о большей разветвленности цепей и достаточном количестве поперечных связей между реакционноспособными группами модифицированного связующего с древесным веществом и друг с другом, образующихся еще до процесса прессования. В этой главе приведены также результаты многофакторного эксперимента по исследованию влияния основных технологических параметров и составов стружечно-клеевых композиций на качественные показатели древесностружечных плит. 14 Для разработки математической модели процесса с количественными факторами, проверки ее адекватности и для оценки влияния на процесс каждого варьируемого фактора, использован регрессионный анализ. В качестве выходных величин были приняты качественные показатели готовой продукции: Y1 - предел прочности ДСтП при изгибе ( и ), МПа; Y2 - предел прочности ДСтП при растяжении перпендикулярно к пласти плиты ( р ), МПа; Y3 - разбухание ДСтП по толщине за 24 ч. (t), %. Интервалы и уровни варьирования параметров отражены в таблице 2 Таблица 2 - Переменные факторы и уровни их варьирования Наименование фактора 1 Состав стружечной композиции внутреннего слоя ДСтП: стружка из некондиционного сырья/стружка-отход от оцилиндровки /стружка из щепы марки ПС, %/%/% Содержание парафинобуроугольной эмульсии в связующем внутреннего слоя, изготовленной при соотношении компонентов 60/40 , м.ч. Продолжительность прессования, , мин Код. Ниж. Основ. Верх. Интерв. обозн уровень уровень уровень варьирова -е ния 2 3 4 5 6 X1 5/35/ 60 20/20/ 60 35/5/ 60 15/15/ 60 X2 3 6 9 3 X3 4 4,5 5 0,5 С целью установления степени влияния варьируемых технологических факторов на физико-механические показатели древесностружечных плит по плану Бокса получены математические модели параметров технологического процесса производства ДСтП, которые после оценки значимости коэффициентов регрессии имеют следующий вид: 15 1) для математического описания древесностружечных плит при изгибе: прогнозирования прочности Y1 20,54 0,18 X 1 0,03 X 2 0,28 X 3 0,18 X 12 0,23 X 22 0,18 X 32 0,0125 X 1 X 2 (1) 0,0125 X 1 X 3 0,0125 X 2 X 3 2) для математического описания прогнозирования прочности древесностружечных плит при растяжении перпендикулярно к пласти плиты: Y2 0,4 0,012 X1 0,004 X 2 0,001X 3 0,013 Х12 0,013 X 22 0,008 X 32 (2) 0,00125 X1 X 2 0,00125 X 1 X 3 0,0025 Х 2 Х 3 3) для математического описания прогнозирования древесностружечных плит по толщине за 24 ч.: Y3 18,25 1,4 X 1 0,5 X 2 0,5 X 3 0,75 X 12 разбухания (3) Результаты экспериментов от состава стружечной композиции внутреннего слоя представлены на рис. 9, от продолжительности прессования - на рис. 10 а) б) в) Рисунок 9- Зависимость пределов прочности ДСтП при изгибе (а) и при растяжении перпендикулярно к пласти плиты (б), разбухания по толщине за 24 ч (в) от состава стружечной композиции внутреннего слоя при различном содержании парафино-буроугольной эмульсии в связующем внутреннего слоя и различной продолжительности 16 прессования: 1 –3 м.ч., 0,24 мин/мм; 2 –3 м.ч., 0,27 мин/мм; 3 – 6 м.ч., 0,24 мин/мм; 4 – 6 м.ч., 0,27 мин/мм. а) б) в) Рисунок 10 - Зависимость пределов прочности ДСтП при изгибе (а) и растяжении перпендикулярно к пласти плиты (б), разбухания по толщине за 24 ч (в) от продолжительности прессования при различном содержании парафино-буроугольной эмульсии в связующем внутреннего слоя (состав стружечной композиции внутреннего слоя некондиция/стружка-отход от оцилиндровки круглых сортиментов/стружка кондиционного сырья: 20/20/60 %/%/%): 1 - 3 м.ч.; 2 – 6 м.ч.; 3 – 9 м.ч. Согласно анализа представленных на рис. 9 зависимостей установлено, что прочность ДСтП при изгибе и при растяжении перпендикулярно к пласти плиты, разбухание по толщине за 24 ч не изменяются до состава стружечной композиции внутреннего слоя 20/20/60 включительно, что позволяет получать плиты, полностью соответствующие требованиям отечественного и европейского стандартов (ГОСТ 10632-2007, EN 312-2, EN 312-3). При этом, на прочность ДСтП при изгибе большее влияние оказывает продолжительность прессования, меньшее – содержание парафино-буроугольной эмульсии в связующем внутреннего слоя. Это хорошо согласуется с тем утверждением, что прочность ДСтП при изгибе определяется, в большей степени, характеристикой стружечно-клеевой композиции наружных слоев. Из графиков также видно, что и при содержании парафино-буроугольной 17 эмульсии в связующем внутреннего слоя 6 м.ч. выше, чем при содержании эмульсии 3 м.ч. Объясняется это тем, что, вероятно, модифицированное связующее проникает на границы раздела слоев в конструкции плиты, тем самым, улучшая характеристики и наружных слоев. Более высокие показатели р наблюдаются также при введении количества эмульсии 6 м.ч. Согласно анализа представленных на рис. 10 зависимостей максимальная прочность при изгибе наблюдается при продолжительности прессования 0,27 мин./мм. Вероятно, при этой продолжительности достигается достаточное уплотнение частиц наружных слоев и лучшие условия образования адгезионных и когезионных связей. Максимальную прочность при растяжении перпендикулярно к пласти будут иметь плиты, изготовленные при продолжительности прессования 0,24-0,25 мин/мм., минимальное разбухание - при 0,24-0,26 мин/мм. Это объясняется, как отмечалось выше, увеличением реакционной способности связующего и ростом адгезионного взаимодействия связующего с древесиной за счет образования новых функциональных групп и ростом когезионной прочности за счет увеличения количества сшивок внутри клея, образованных дополнительными метиленовыми связями в модифицированном связующем. В результате проведенных исследований установлено, что выходные величины существенно зависят от всех управляемых факторов. Для наглядности результаты представлены на рис. 11, 12, 13 в виде выборочных поверхностей отклика. а) б) Рисунок 11 - Зависимость пределов прочности ДСтП при изгибе (а) при растяжении перпендикулярно к пласти плиты (б) от состава стружечной 18 композиции внутреннего слоя (X1) и содержания парафино-буроугольной эмульсии в связующем внутреннего слоя (X2) а) б) Рисунок 12 - Зависимость пределов прочности ДСтП при изгибе (а) при растяжении перпендикулярно к пласти плиты (б) от состава стружечной композиции внутреннего слоя (X1) и продолжительности прессования (X3) Рисунок 13 - Зависимость разбухания ДСтП по толщине за 24 ч от состава стружечной композиции внутреннего слоя (X1) и содержания парафинобуроугольной эмульсии в связующем внутреннего слоя (X2) Из представленных зависимостей можно с уверенностью констатировать, что введение компенсаторов в виде стружки-отхода и парафино-буроугольной эмульсии, модифицирующей связующее, дает 19 возможность без изменения прочностных характеристик ДСтП добавлять некондиционное сырье в состав внутреннего слоя до 20%, что составляет ≈10-15 % в составе всей пресскомпозиции. В этой же главе представлены результаты многокритериальной оптимизации методом «условного центра масс». Результаты поликритериальной оптимизации представлены в табл. 3 Таблица 3 - Результаты поликритериальной оптимизации j 1 Условная масса Значения управления mj X 1** параметров X 2** X 3** 3,005 2 3 3 3,017 Оптимальные значения показателей эффективности Yj** 20,55 15/25/60 7 4,5 0,398 17,68 В пятой главе представлены результаты расчета технико-экономических показателей эффективности технологии производства древесностружечных плит с использованием некондиционного сырья. Расчет велся на производственную программу, заложенную в проектной мощности оборудования. Ожидаемый годовой экономический эффект на примере завода ДСтП ООО «СибПромИнвест» г. Канск, Красноярский край по производству древесностружечных плит по ГОСТ 10632-2007 с производственной мощностью 80 тыс. м3/год составит 5,4 млн. руб./год или 67,5 руб./м3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ: 1 Доказана возможность использования некондиционного сырья в производстве древесностружечных плит с обеспечением качественных характеристик, соответствующих требованиям ГОСТ 10632-2007, ЕN-3122,3. Использование некондиционного сырья в производстве древесностружечных плит возможно в составе стружечной композиции внутреннего слоя ДСтП до 20% включительно. 2 С целью нейтрализации кислотности некондиционного сырья рекомендовано в состав связующего внутреннего слоя ДСтП вводить парафиновую эмульсию, состоящую из парафина и буроугольного воска в соотношении 60/40 в количестве 6-7 м.ч. на 100 м.ч. связующего. 3 Для обеспечения качества древесностружечных плит, соответствующих марке П-А по ГОСТ 10632-2007 состав стружечноклеевой композиции должен состоять из следующих компонентов: 20 сырьевой состав внутреннего слоя: - стружка, полученная из щепы марки ПС ГОСТ 15815-83 - 60% - стружка, полученная из некондиционного сырья - 20% - стружка-отход от оцилиндровки круглых сортиментов - 20% состав клеевой композиции внутреннего слоя на 100 м.ч. связующего: - карбамидоформальдегидная смола, К=65% - 88-89 м.ч. - р-р аммония хлористого, К=20% - 5 м.ч. - парафино-буроугольная эмульсия в соотношении компонентов 60/40, К=36% - 6-7 м.ч. 4 Оптимальными режимами изготовления древесностружечных плит, толщиной 16 мм. с использованием некондиционного сырья являются: -температура прессования - 190±50С - удельное давление прессования - 2,3 МПа -продолжительность прессования - 4,5 мин. 5 Разработана математическая модель описания процесса изготовления древесностружечных плит, позволяющая прогнозировать их качественные показатели и определять оптимальные параметры режимов прессования. 6 Экономическая эффективность предлагаемых технологических решений на примере завода по производству ДСтП ООО «СибПромИнвест», г. Канск, Красноярский край от снижения себестоимости составила 5,4 млн. руб. при мощности предприятия 80 тыс. м3/год или 67,5 руб./м3 ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ: В изданиях, рекомендованных ВАК 1. Плотникова, Г.П. Повышение эффективности производства древесностружечных плит / Г.П. Плотникова, С.В. Денисов, И.Н. Челышева // Вестник Красноярского Государственного аграрного университета КрасГАУ. Выпуск 7.- Красноярск, 2010.- с.152-158. 2. Плотникова, Г.П. Оптимизация технологических параметров в производстве древесностружечных плит на основе маломольных смол с использованием стружки из отходов некондиционной древесины/ Г.П. Плотникова, С.В. Денисов // Вестник КрасГАУ. Выпуск 8.- Красноярск, 2010.- с.10-14. 3. Плотникова, Г.П. Оптимизация параметров технологического процесса в производстве древесностружечных плит/ С.В Денисов, Г.П. Плотникова, Н.П. Плотников // Братск: Системы. Методы. Технологии. Научный журнал Братского государственного университета, 2011. № 3, 2011. – с 63-64. В прочих изданиях 21 4. Плотникова, Г.П. Снижение токсичности древесностружечных плит /С.В. Денисов, Г.П. Плотникова // Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: материалы VII Всероссийской научнотехнической конференции. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2008. – с 65-66. 5. Плотникова, Г.П. Исследование способов и возможности расширения номенклатуры сырьевой базы в производстве древесностружечных плит/ Г.П. Плотникова // Леса России в XXI веке. Материалы четвертой международной научно-практической интернетконференции. Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М.Кирова.- Санкт-Петербург, 2010.- с.16-18. 6. Плотникова, Г.П. Оптимизация технологических факторов, определяющих прочностные характеристики ДСтП с использованием некондиционного сырья в составе композиции/ Г.П. Плотникова // Леса России в XXI веке. Материалы пятой международной научнопрактической интернет-конференции. Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М.Кирова.- СанктПетербург, 2010.- с.26-30. 7. Плотникова, Г.П. Использование отходов гниющих заготовок в производстве древесностружечных плит/ Г.П. Плотникова // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2010. Материалы международной научно-практической интернет-конференции. Том 23.- Одесса, 2010. – с.67-69. 8. Плотникова, Г.П. Использование отходов экстракционной переработки буроугольных восков в производстве древесностружечных плит/ Г.П. Плотникова // Лесной и химический комплексы – проблемы и решения. Материалы всероссийской научно-практической конференции. Том 1 – Красноярск, 2010.- с. 168-171. 9. Плотникова, Г.П. Комплексное использование отходов в производстве древесностружечных плит/ С.В Денисов, Г.П. Плотникова // Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2008. – с 63-64. 10. Плотникова, Г.П. Комплексное использование отходов в производстве древесностружечных плит/ С.В Денисов, Г.П. Плотникова // Труды Братского Государственного университета. Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири. Том 2 – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2010. – с.294-298. 11. Плотникова, Г.П. Использование отходов некондиционной древесины в производстве древесностружечных плит/ С.В Денисов, Г.П. Плотникова // Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: материалы X Всероссийской научно-технической конференции. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2011. – с 63-64.
