IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Мировое производство и потребление древесных плит  возрастают с каждым годом, находя новые  сферы применения [1,2,3]. В настоящее время в качестве связующих в плитном производстве используются карбамидо- и фенолоформальдегидные олигомеры [4-7]. Плиты, изготовленные с применением этих связующих, обладают множеством преимуществ, но имеют невысокую водостойкость, что приводит к деформациям от воздействия влаги.

Целью данной работы является экспериментальное исследование  свойств и технико-экономическое обоснование производства плит повышенной водостойкости с применением в качестве связующего клеевых композиций на основе фурановых олигомеров.

Актуальность работы определяется разработкой нового вида плитного древесного материала, технологии его производства, что особо важно в период острой конкуренции отечественных и зарубежных производителей плитных древесных материалов.

Практическая значимость заключается в разработке технологических режимов, технических рекомендаций, технологии производства нового материала с применительно к действующему производству, технико-экономическое обоснование предлагаемых решений.

Общая характеристика фурановых олигомеров

Фурановые олигомеры получили свое название из-за наличия в звеньях макромолекул гетероциклического фуранового кольца и были получены в 1928 г. [8,9].

Исходным сырьем для их синтеза являются производные ряда фурана - фурфурол, фурфуриловый спирт и фурфурилиденацетон [10,11].                                                                                                 

Фурфурол промышленно получают гидролизом [12] при 150...180ºС разбавленными минеральными кислотами природного пентозансодержащего сырья в виде отходов древесины и отходов сельского хозяйства с последующей дегидратацией:

          (С₅Н₈О₄) n +n H₂O           n C₅H₁₀O₅           n C₅H₄O₂ + 3n H₂O .

Реакция взаимодействия фурфурола с ацетоном  при синтезе мономера ФА может протекать по различным схемам [8-10], например, при избытке ацетона:

НС   -     СН      Н                  ║          ║        │                         НС           С  -    С   +   Н3С - С - СН3                                        ║                          ║              О            О                            О	НС   -   СН   Н       Н             ║        ║      │      │         НС         С  -  С  -  С  - С - СН3     +                                  │     │      ║                 О          ОН    Н      О
О                   ║                 -Н2О  +   Н3С - С - СН3	НС  -  СН      Н         Н     ║       ║      │        │         НС        С   -  С   -  С  -  С - СН3                                       │       │      ║                   О      Н2С        Н      О                                │                     О = С - СН3

Процесс производства мономера ФА из фурфурола и ацетона в щелочной среде состоит из следующих стадий: нагревание исходных компонентов, отделение воды и сушка фурфурилиденацетона. В реактор загружают свежеперегнанный фурфуролиацетон, взятые в эквимольном соотношении. Смесь перемешивают и при включенном обратном холодильнике вводят20 %-ный раствор едкого натра. Теплоту реакции отводят через рубашку реактора, поддерживая температуру смеси 47...55°С. После окончания основной стадии реакции смесь нагревают до 86...95°С и выдерживают при этой  температуре 6 ч. Затем продукт реакции охлаждают до 20...25°С и нейтрализуют 30 %-ным раствором серной кислоты. После отстаивания реакционной смеси в течение1-3 ч отделяют воду мономер ФА; высушивают путем отгонки остатка воды, охлаждают и сливают в тару [13].

Известные области применения фурановых олигомеров

Фурфурол-ацетоновый мономер ФА довольно широко применяется в производстве строительных материалов и изделий. Введение в мономер ФА минеральных наполнителей приводит к получению материалов, обладающих монолитностью, высокой химической и механической прочностью [8,10].

На основе мономера ФА и мелкодисперсного наполнителя готовят замазки: фаизол (наполнитель песок) и ферганит (наполнитель андезитовая мука с добавкой 3-10 % углеграфитового порошка) [16].

Олигомеры фуранового ряда применяются для изготовления клеев, лаков, пропиточных растворов, формовочных и прессовочных материалов, пенопластов. Для расширения ассортимента эпоксидных смол и их удешевления путем совмещения с фурановыми смолами получают совмещенные эпокси-фурановые смолы [17].

В Белорусском технологическом институте им. С. М. Кирова проводились работы по изучению свойств древесины модифицированной  фурановыми полимерами. По результатам исследований установлено, что при применении мономера ФА можно получить древесину с высокой влаго- и водостойкостью. Пропитка 50%-ным раствором мономера ФА в фурфуроле с последующим отверждением его кислым катализатором делает древесину трудносгораемой, устойчивой к грибкам и гниению [17, 18].

 Обоснование применения фурановых олигомеров в производстве древесных плит

В последние годы усилилось внимание к токсикологическим свойствам фенола и формальдегида. Установлено, что они обладают канцерогенным и мутагенным действиями, являются сильными аллерге­нами. Одним из источников выделения этих веществ в жилых  помеще­ниях является мебель и элементы строений, изготовленные с использованием карбамидоформальдегидных и фенолоформальдегидных смол.

Применение в производстве клееных материалов альтернативных клеевых составов, например на основе фурановых олигомеров, один из путей решения данной проблемы. В данных олигомерах отсутствуют легколетучие токсичные компоненты, опасность интоксикации маловероятна вследствие низкой летучести этих продуктов [19], ниже их класс опасности  (табл. 1) [20,21].

Таблица 1 Предельно допустимые концентрации вредных веществ

№ п/п	Наименование показателей	Вещества
		Фенол	Формаль-дегид	Фурфурол	Ацетон
1	Класс опасности вещества	2	2	3	4
2	ПДК максимально разовая, мг/м3	0,01	0,035	0,08	0,35
3	ПДК среднесуточная в воздухе населенных мест, мг/м3	0,003	0,003	0,04	0,35
4	ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3	0,3	0,5	10	200

 

Результаты экспериментальных исследований

С целью оценки возможности применения фурановых олигомеров в производстве древесных плит на начальном этапе работы были изготовлены  образцы плит с различным содержанием фурановой смолы.

Хвойная и лиственная стружка просеивалась через сита с отбором фракции 10/2 и подсушивалась до влажности 4...6%. Подготовленная порция стружки смешивалась со смолой, полученная стружечно-клеевая масса укладывалась в пресс-форму и подпрессовывалась в холодном прессе при удельном давлении 1 МПа. Полученный брикет помещался в горячий пресс ПР100-400 и подвергался пьезотермообработке при следующих постоянных факторах:

• толщина плит 10 мм;
• давление прессования 2 МПа;
• продолжительность выдержки под давлением 10 мин;
• фракционный размер частиц наполнителя - 10/2.

В табл. 2 представлены физико-механические характеристики плит на основе фурфуролацетонового мономера ФА.

Таблица 2 Физико-механические характеристики плит

Расход связующего, %	Плотность плиты, кг/м3	Предел прочности при изгибе, МПа	Разбухание по толщине, %	Водопогло-щение, %	Потеря массы при горении, %
Плиты на основе хвойной стружки
10	750	7	18,2	37,6	13,6
20	750	9	5,7	19,7	8,6
10	850	12	4,3	16,8	9,3
20	850	17	1,8	7,5	6,8
Плиты на основе лиственной стружки
10	750	9	21,9	45,9	12,1
20	750	13	13,8	26,9	8,2
10	850	15	12,1	23,8	7,8
20	850	23	5,1	11,5	5,7

На рис. 1, 2 представлено изменение величин разбухания по толщине и водопоглощения с течением    времени   (для плит,   плотностью  850 кг/м³,   с расходом   связующего 20 %).

На рисунках представлен внешний вид образцов плит после длительного вымачивания (рис. 3а) и кипячения (рис. 3б). Проведенные эксперименты показали, что плиты обладают повышенной водостойкостью. Огнезащищенность плит оценивалось по потере массы при горении  на  образцах форматом 50х50 мм. На рис. 4а - внешний вид образцов после горения, а на рис. 4б - результаты в виде гистограммы. Полученные данные показали, что плиты на основе фурфурол-ацетонового мономера ФА обладают высокими огнезащитными свойствами.

Для более полной оценки результатов эксперимента был спланирован и реализован полнофакторный план, который обрабатывался по стандартной методике [22].

Анализ результатов опытных запрессовок показал, что наиболее существенное влияние на свойства плит оказывают следующие факторы - плотность плиты, расход  связующего, температура прессования, которые и были приняты в качестве управляемых.

Уровни варьирования управляемых факторов представлены в  табл. 3.

 Таблица 3 Управляемые факторы и уровни их варьирования

Наименование факторов	Обозначение		Интер-вал варьи-рования	Уровень варьирования
	Нату-раль-ное	Нор-мализо-ванное		Ниж-ний (-1)	Основ-ной (0)	Верх- ний (+1)
1. Плотность плиты, кг/ м3	Рсв	x1	5	10	15	20
2. Расход связующего, %	ρ	x2	50	750	800	850
3. Температура прессования, °С	Т	x3	15	150	165	180

                                                                                               

Уравнения регрессии в кодированном обозначении факторов имеют следующий вид:

а) предел прочности при изгибе для хвойных пород:

Y₁ = 10,45 + 2,13х₁ + 3,23х₂ + 0,43х₃ + 0,65х₁х₂;

б) предел прочности при изгибе для лиственных пород:         

Y₂ = 14,09 + 3,16х₁ + 4,19х₂ + 0,36х₃ + 0,86х₁х₂;

 в) разбухание по толщине для хвойных пород:

Y₃ =  12,64 - 8,44х₁ + 0,49х₂ - 0,36х₃  - 0,99х₁х₂;

г) разбухание по толщине для лиственных пород:        

Y₄ = 13,68 - 6,6х₁ - 1,55х₂ - 2,25х₃  + 0,63х₁х₂ + 1,13х₁х₃;

д) водопоглощение для хвойных пород:

Y₅ =  33,79 - 20,71х₁ + 2,04х₂ - 2,24х₃  - 6,46х₁х₂;

е) водопоглощение для лиственных пород:        

Y₆ = 29,38 - 12,53х₁ +1,53х₂ - 4,70х₃  - 4,28х₁х₂ + 1,5х₁х₃.

Основные графические зависимости влияния управляемых факторов на свойства плит представлены на рис. 5-7.

                                       

Уравнения регрессии в натуральных обозначениях имеют вид:

   - для предела прочности при статическом изгибе для хвойных пород

σ_и = -21,15 - 1,65Рсв. + 0,02ρ + 0,03Т +0,003Рсв ρ;

- для предела прочности при статическом изгибе для лиственных пород

σ_и = -25,11 - 2,12Рсв. + 0,03ρ + 0,02Т +0,003Рсв ρ;

   - для разбухания по толщине для хвойных пород

Р_s = -13,44 + 1,48Рсв. + 0,07ρ - 0,02Т - 0,004Рсв ρ;

    - для разбухания по толщине для лиственных пород

Р_s = 137,36 - 6,27Рсв. - 0,07ρ - 0,42Т + 0,003Рсв ρ + 0,02 Рсв Т;

 - для разбухания по толщине для хвойных пород

W = -222,16 + 16,53Рсв. + 0,43ρ - 0,15Т - 0,03Рсв ρ;

 - для разбухания по толщине для лиственных пород

W = -61,75 - 7,89Рсв.+0,29ρ - 0,34Т - 0,02Рсв ρ + 0,02 Рсв Т.

Разработка технологического процесса производства древесностружечных плит на основе фурановых олигомеров

На рис. 8 представлена разработанная схема технологического процесса производства древесностружечных плит с использование фурановых олигомеров.

Описание технологического процесса

Сырьем для производства древесностружечных плит служит дровяная древесина и отходы фанерного производства.

Для изготовления стружки толщиной 0,2...0,3 мм для наружных слоев применяют стружечные станки с ножевым валом, которые обеспечивают получение плоской резаной стружки высокого качества. Стружку для внутреннего слоя изготовляют путем измельчения кругломерного сырья и кусковых отходов в щепу, которую затем перерабатывают в игольчатую стружку толщиной 0,5...0,6 мм на центробежных стружечных станках.

При изготовлении стружки на стружечных станках образуется смесь с разными размерами. В смеси наравне с кондиционной стружкой содержатся мельчайшие древесные частицы (пыль) и толстые крупные частицы (сколы, грубые стружки). Мелкие и крупные древесные частицы отрицательно влияют на физико-механические показатели плит. Поэтому для получения плит заданных свойств излишнюю пыль и толстые грубые древесные частицы выделяют из общей массы стружки.

Для этого применяют механические качающиеся сортировки и пневматические сепараторы. Первые сортируют стружку по длине и ширине, вторые - по толщине. Высококачественная классификация стружки по фракциям может быть достигнута только при двухступенчатой сортировке: сначала механической, затем пневматической.

Чтобы выдержать заданную норму расхода связующего необходимо точно дозировать связующее и стружку, подаваемые в смеситель. Связующее дозируют по объему (л/мин) с помощью насосов, которые обеспечивают высокую точность. Стружку дозируют по массе с помощью весов периодического и непрерывного действия. Задачей формирования стружечного ковра (пакетов) является дозирование и равномерное распределение осмоленных древесных частиц для обеспечения одинаковой толщины, плотности и прочности по площади древесностружечных плит.

Формирование стружечного ковра - одна из важнейших операций в технологическом процессе производства древесностружечных плит. От качества формирования стружечного ковра зависят плотность, колебание ее по площади плиты (равноплотность), прочность, стабильность ее по площади плиты, равномерность толщины, упрессовка плит по толщине при последующей облицовке, формоизменяемость (коробление плиты).

Стружечный ковер насыпается на поддоны в виде заготовок (пакетов) определенной длины. Формирующий конвейер (участок под формирующими машинами) движется непрерывно и обязательно с равномерной скоростью для получения равномерного стружечного ковра. Остальные конвейеры, входящие в состав главного, могут перемещаться непрерывно или периодически.

Далее рассмотрим стадию прессования древесностружечных плит. На предприятии применяются прессы ПР-6. Для предупреждения преждевременного отверждения связующего в поверхностных слоях общая продолжительность загрузки пресса брикетами и достижения начального (высокого) давления не должна превышать 45 с; при этом подъем плит (смыкание) должен составлять 12-15 с. Для полного исключения преждевременного отверждения связующего в поверхностных и наружных слоях прессование при высокой температуре рекомендуется производить без добавления отвердителя в наружные слои.

Далее брикеты поступают на форматно-раскроечный центр, где происходит обрезка плиты по заданному формату и после технологической выдержки плиты поступают в шлифовальный станок «Штейнеман», состоящий из двух частей: в первой происходит калибрование по толщине и черновое шлифование, а во второй - финишное шлифование, после которого плиты проходят сортировку и направляются на склад готовой продукции.

Расчет экономической эффективности

Экономическое обоснование проекта выпуска плит повышенной водостойкости на основе отходов деревообработки и фурановых олигомеров выполнено применительно к цехам с отечественной формовочно-прессовочной линией СП-25 (на примере цеха ДСтП ОАО «Фанплит», г. Кострома, по экономическим данным на 2010 г.). Структуру затрат и прибыли (в тыс. руб) удобно изобразить с помощью гистограмм.

Основные технико-экономические показатели представлены в табл. 4.                                                                                                                        

 Таблица 4 Технико-экономические показатели

Наименование	По  проекту	По предприятию	Темп роста, %
1. Товарная продукция в сопоставимых ценах, тыс. руб.	658256,5	442827,1	148,7
2. Выпуск продукции в натуральном выражении, м3	119683	119683	100
3. Число дней работы цеха в год, Тэф, дни	338	338	100
4. Число рабочих смен в сутки, см	2	2	100
5. Производственная площадь	5558	5558	100
6. Характеристика и нормы расхода на 1 м3 готовой продукции:	-	-	-
а) фурановая смола, кг	80,3	-	-
б) карбамидоформальдегидная смола, кг	-	80,3	-
7. Списочное количество рабочих, чел.	122	122	100
8. Годовой фонд заработной платы, тыс. руб.	27800	27800	100
9. Средняя зарплата 1 работающего в год, тыс. руб.	227,9	227,9	100
10. Производительность труда работающего, тыс. руб.	5395,5	3629,7	148,6
12. Трудоемкость единицы продукции, чел. ч.	4,13	4,13	100
13. Расход электроэнергии на 1 м3 плиты, кВт∙ч.	161,7	161,7	100
14. Электровооруженность 1 рабочего, кВт∙ч.	130731,8	130731,8	100
15. Себестоимость единицы продукции, руб.	4609,0	3189,6	144,4
16. Оптовая цена 1 м3, тыс. руб.	5500	3700	148,7
17. Затраты на 1 рубль товарной продукции	0,84	0,86	97,7
18. Рентабельность 1 м3, %	15,20	12,42	122,4
19. Чистая выручка, тыс. руб.	98885,1	62425,83	158,4
20. Инвестиции по проекту, тыс. руб.	7086,9	-	-
21. Срок окупаемости, лет	0,69	-	-

 

Выводы и рекомендации

1. Предложено применение фурановых олигомеров для производства плитных композиционных материалов  повышенной водостойкости специального назначения.
2. Определены основные физико-механические характеристики плит, изготовленных на основе фурфурол-ацетонового мономера ФА. Установлено, что применение фурановых олигомеров позволяет получать высокопрочные водостойкие и огнезащищенные плиты, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10632-2007 [23].
3. Получены математические модели в кодированном и натуральном обозначении факторов, позволяющие оценить влияние основных технологических факторов на эксплуатационные характеристики плит и спрогнозировать их свойства при любых сочетаниях технологических факторов.
4. Определены рациональные технологические режимы производства водостойких плит на основе фурфурол-ацетонового мономера ФА:

• плотность плиты 850 кг/м³;
• расход связующего  15...20 % относительно массы наполнителя;
• температура плит пресса 170...180 °С;
• время прессования 10 мин;
• удельное давление прессования 2 МПа.

  При рекомендуемых режимах производства имеется возможность получения   материалов с малым разбуханием по толщине и высокой  прочностью.

5. Разработана технология производства древесных плит конструкционного назначения повышенной водостойкости для широкого использования в строительстве, мебельной промышленности и иных сферах.

6. Проведен технико-экономический анализ организации производства древесных плит на основе фурановых олигомеров применительно к действующему профильному предприятию ОАО «Фанплит». Установлено, что  при выпуске данных плит возможно  увеличение рентабельности и чистой выручки. Затраченные в производство капитальные вложения  на проект окупаются за 0,69 года.

Список литературы

1. Моделирование свойств и процессов пресссования реактопластов: монография / под общ. ред. А. Н. Обливина. - М.: МГУЛ, 2005. - 284 с.
2. Мельникова Л.В. Технология композиционных материалов из древесины / Л. В. Мельникова. 2-е изд., испр. и доп. - М. : МГУЛ, 2004. - 234 с.
3. Мелони Т. Современное производство древесностружечных и древесноволокнистых плит / Т. Мелони; пер. с англ. А. А. Амалицкого, Е. И. Карасова. - М. : Лесная промышленность, 1982. - 416 с.
4. Азаров В.И., Цветков В. Е. Технология связующих и полимерных материалов / В. И. Азаров, В. Е. Цветков. - М.: Лесная промышленность, 1985. - 216 с.
5. Доронин Ю.Г. Синтетические смолы в деревообработке / Ю. Г. Доронин, С. Н. Мирошниченко, М. Н. Свиткина. - М. : Лесная промышленность, 1987. - 224 с.
6. Кондратьев В.П. Водостойкие клеи в деревообработке / В. П. Кондратьев. - М. : Лесная промышленность, 1988. - 213 с.
7. Кондратьев В.П. Синтетические клеи для древесных материалов / В. П. Кондратьев, В.И. Кондращенко. - М. : Научный мир, 2004.-520 с.
8. Тармошин К.В. Структурообразование и свойства высоконаполненных фурановых композиций : дисс. ... канд. техн. наук / К. В. Тармошин. - М. : МНИИЖТ, 1983. - 168 с.
9. Технология пластических масс / Под ред. В.В. Коршака. Изд. 3-е, перераб. и доп. -М. :Химия, 1985. - 560 с.
10. Брацыхин Е.А. Технология пластических масс. - 3-е изд., перераб. и доп. / Е. А.Брацыхин, Э. С. Шульгина. - Л. : Химия, 1982. - 328с.
11. Мельников Н.П. Фурфурол и кормовые дрожжи из древесных отходов и дров / Н. П. Мельников. - М. : Лесная промышленность, 1964. - 35 с.
12. Морозов Е.Ф. Производство фурфурола / Е. Ф. Морозов : под ред. канд. техн.    наук Я. В. Япштейна.   - М. :   Лесная промышленность,    1979. - 200 с.
13. Азаров В.И., Цветков  В. Е. Технология связующих и полимерных материалов / В. И. Азаров, В. Е. Цветков. - М. : Лесная промышленность, 1985. - 216 с.
14. Оробченко Е.В. Фурановые смолы / Е. В. Оробченко, Н. Ю. Прянишникова. - Киев: Издательство технической литературы, 1963. - 166 с.
15. Мощанский Н.А. Физико-химическая стойкость растворов на основе фурфуроло-ацетонового мономера ФА / Н. А. Мощанский, И. Б. Уварова // Пластические массы, 1965. - № 2. - С. 37-40.
16. Мощанский Н.А. Получение плотных и стойких покрытий по бетону на основе конденсационных синтетических смол / Н. А. Мощанский, И. Б. Уварова, В. М. Соломатов. - М. : Госэнергоиздат, 1963. - 114 с.
17. Остер-Волков Н.Н. Огнезащитные свойства мономера ФА / Н. Н. Остер-Волков // Пластические массы, 1962. - №2. - С. 16-18.
18. Итинский В.И. Огнезащитная пропитка древесины для изготовления штампов / В. И. Итинский, С. А. Сорокин. - М. : Лесная промышленность, 1965. - 15 с.
19. Энциклопедия по безопасности и гигиене труда : пер. с англ. / под ред. А.П. Бирюкова [и др.]. - М. : Профиздат, 1985. - Т. 3. - 328 с.
20. Баженов В. А. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества. / В. А. Баженов, под общ. ред. А. А. ильина, В. А. Филова. - Л. : Химия, 1990. - 436 с.
21. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. [Электронный ресурс] - Режим доступа : Ре http://www. ohranatruda.ru.
22. ГОСТ 10632-2007. Плиты древесностружечные. Технические условия. -М.: Изд-во стандартов, 2007. - 11 с.
23. Пижурин А.А. Исследования процессов деревообработки / А.А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесная промышленность, 1984. - 232 с.

Приложение 1 Список опубликованных работ по теме исследования

1. Смирнов Д.А. Плитные композиционные материалы повышенной водостойкости на основе отходов деревообработки и фурановых олигомеров // Сборник научно-исследовательских работ молодых ученых по программе «Шаг в будущее». - Кострома: ОГБОУ ДОД «Костромской областной центр научно-технического творчества «Истоки», 2011. - с. 62-65.
2. Смирнов Д.А. Древесные плиты на основе фурановых олигомеров // Студенты и молодые ученые КГТУ - производству: материалы 63-й межвузовской научно-технической конференции. - Кострома: КГТУ, 2011. - с. 125.
3. Смирнов Д.А. Плитные материалы повышенной водостойкости для строительства на основе древесных отходов и фурановых олигомеров // Научно- техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: Сборник докладов III Международной научно-технической конференции. - М.: МГСУ, 2011.- с. 82-84.
4. Угрюмов С.А., Смирнов Д.А. Исследование эксплуатационных характеристик плит повышенной водостойкости на основе на основе отходов деревообработки и фурановых олигомеров // Научные труды молодых ученых КГТУ. - Вып. 12. - Часть 1. - Кострома: КГТУ, 2011. - с. 82-85.
5. Смирнов Д.А. Плитные композиционные материалы повышенной водостойкости для строительства [Электр. ресурс] // Образование, наука, производство: материалы V Международного студенческого форума. - Белгород: БГТА им. В.Г. Шухова, 2011.
6. Угрюмов С.А., Смирнов Д.А. Исследование прочности древесностружечных плит на основе фурановой смолы // Вестник КГТУ: периодический рецензируемый научный журнал. - Кострома: КГТУ, 2011. - №2(27). -с. 81-83.

Код для цитирования: Скопировать