Формирование трудногорючих столярных плит

Постоянное техническое развитие общества приводит к увеличению энергонасыщенности гражданских и промышленных зданий, вагонов и судов. Следствием этого является возрастающее с каждым годом число пожаров, вызывающих человеческие жертвы и причиняющих значительный материальный ущерб.

Научно-исследовательские учреждения вагоностроительной промышленности и ВНИИ противопожарной обороны в результате многолетних исследований и опытно-конструкторских работ пришли к выводу о том, что системы пожарной сигнализации и устройства автоматического пожаротушения в реальных условиях эксплуатации парка подвижного состава не в состоянии обеспечить его надежную защиту от пожаров. Но в тоже время они требуют больших затрат на содержание и периодическую зарядку.

Таким образом, помимо развития активных систем пожаротушения, перспективным путем повышения пожаробезопасности зданий, вагонов и судов является применение огнезащищенных материалов и конструкций. Опыт крупных пожаров в зданиях показывает, что огонь, действуя на незащищенные материалы стен и несущих конструкций, приводит к быстрому их разрушению. Использование огнезащищенных материалов при строительстве позволяет предотвратить пожар или замедлить его развитие, а, следовательно, сократить человеческие жертвы и материальный ущерб.

Поэтому, с каждым годом происходит ужесточение требований к пожарной безопасности материалов, используемых в строительстве, вагонои судостроении.

Эти требования ограничивают применение древесины и древесных материалов в данных отраслях промышленности. В тоже время древесина является легким и прочным материалом. В этой связи, исследования по созданию трудногорючих древесных материалов являются актуальными как в России, так и за рубежом.

В настоящее время широкое распространение в строительстве и вагоностроении получила трудногорючая фанерная плита, изготовленная из шпона пропитанного антипиреном.

Неизбежным следствием процесса пропитки является увеличение плотности древесины, так как во внутренние полости, имеющиеся в структуре древесины, вводятся дополнительные вещества. Для отнесения фанеры к группе трудногорючих материалов в шпоне должно содержатся не менее 20.25% ан-типирена. Поэтому, плотность трудногорючих фанерных плит может достигать 850.900 кг/м3.

В тоже время вагонои судостроители особое внимание уделяется плотности используемых материалов, так как от этого зависит масса готовых вагонов и судов, и стремятся к её снижению.

Таким образом, задача создания трудногорючего древесного материала, обладающего меньшей плотностью, чем трудногорючая фанера является актуальной.

Одним из путей решения проблемы большой плотности и пожаробезо-пасности является создание трудногорючей столярной плиты.

Известно, что преимуществом столярной плиты по сравнению с фанерой является меньшая плотность при допустимом снижении прочностных показателей. Это свойство является особенно важным при использовании её как конструкционного материала в таких отраслях промышленности как вагонои судостроение.

Площадь пласти столярной плиты значительно превышает площадь ее кромок и торцов, поэтому она подвергается наибольшему воздействию огня. Следовательно, огнестойкость получаемого материала в гораздо большей степени зависит от степени и качества пропитки наружных слоев, чем содержания антипирена во внутреннем слое. Поэтому, снижение плотности и стоимости столярных плит возможно за счет уменьшения количества антипирена в делянках среднего слоя.

Для производства фанеры в основном используют березу. Древесина других мягких лиственных пород (осины, ольхи, липы) используется в значительно меньшем объеме.

Известно, что при изгибе максимальные нормальные напряжения действуют в наружных слоях плит. Таким образом, использование в среднем слое плиты мягколиственной древесины, а в наружных слоях твердолиственной не приведет к значительному снижению прочности. Было решено для наружных слоев использовать лущеный шпон из древесины березы, а для среднего слояделянки из древесины осины.

Это обосновано следующим. Во-первых, плотность осиновой древесины меньше, чем березовой. Это позволит снизить плотность готового материала. Во-вторых, древесина осины пропитывается лучше и качественней, чем еловая древесина. В-третьих, существуют большие запасы невостребованной осиновой древесины.

Проблема использования древесины мягких лиственных пород весьма актуальна. В перспективе эта задача приобретёт еще большее значение. Возникшая по ряду причин нехватка древесины березы в европейской части страны ставит задачу более полного использования древесины других мягких лиственных пород, значительную часть которых составляет осина.

Среди лиственных лесов России осиновые леса (осинники) занимают второе место после березовых и составляют 16% древостоев. На протяжении последних десятилетий происходило систематическое накопление площадей и запасов осинников, так как осина одна из наиболее производительных древесных пород. Обширный ареал, успешное возобновление естественным путем, быстрый рост, меньший по сравнению со многими другими породами возраст рубки требуют изыскания путей ее рационального использования. Невостребованность осинового сырья при выполнении сплошных рубок создает значительные трудности в работе лесозаготовительных организаций. Как известно, по потребительским свойствам осина мало уступает другим породам. Осина легкая, но довольно прочная и упругая древесина, легко лущится.

Производство столярных плит включает в себя комплекс технологических операций, направленных на получение материала, отвечающего определенным требованиям.

Склеивание слоистых древесных материалов — это сложный физико-химический процесс взаимодействия клея и древесины, который сопровождается теплои массообменом, фазовыми превращениями и изменением реологии компонентов [112]. Использование антипирена еще в большей степени затруднит его анализ. Поэтому разработка трудногорючих столярных плит возможна только на основе знаний закономерностей явлений, имеющих место при склеивании, свойств древесины, антипирена и клея.

Таким образом, для решения проблемы создания трудногорючей столярной плиты с применением древесины осины необходимо разработать научные основы технологии склеивания, учитывающей особенности этой породы и влияние антипирена.

В диссертации обобщены основные сведения о деформативности и реологических свойствах древесины, используемых антипиренах, способах огнезащиты древесины и изготовления столярных плит.

Антипирен представляет собой совокупность высокомолекулярных веществ. Они вступают во взаимодействие, как с используемым клеем, так и с древесиной. Учитывая это, в диссертации были проведены исследования направленные на изучение влияния антипирена на физико-механические свойства готового материала и качество склеивания шпона и делянок среднего слоя.

Склеивание пакета трудногорючей столярной плиты представляется как процесс, при котором одновременно происходит нагрев и деформирование шпона, перенос и отверждение связующего. Клей смешивается с солями антипирена, находящимися на поверхности шпона, и проникает в древесину. Воздействие антипирена и температуры на древесину при горячем склеивании существенно снижает ее модуль упругости, изменяет характер деформирования. В работе проведены исследования по установлению характера деформирования и нагрева пакета столярной плиты.

В работе обоснованы конструкция и режимы склеивания трудногорючей столярной плиты с использованием осиновой и березовой древесины.

Цель работы. Создание трудногорючих конструкционных древесных материалов и технологии их изготовления.

Научной новизной обладают:

1. Степень содержания антипирена в делянках среднего слоя из древесины осины, позволяющая получить трудногорючую столярную плиту с низкой плотностью и требуемыми прочностными показателями.

2. Математические модели, описывающие плотность и прочность при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном, позволяющие обосновать параметры режима склеивания трудногорючих столярных плит.

3. Модели деформирования древесины и древесных материалов, пропитанных антипиреном на основе полифосфатов аммония, имеющие принципиальное отличие от моделей деформирования непропитанной древесины в скорости изменения деформаций.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Пропитка древесины осины антипиреном на основе полифосфатов аммония повышает ее огнестойкость, изменяет упругие и другие физико-механические свойства.

2. Применение антипирена, представляющего собой минеральную соль, содержащую аммиак, существенно снижает влияние температуры и давления склеивания на деформацию древесины в процессе ее пьезотер-мической обработки.

3. Деформации обработанной антипиреном древесины при горячем склеивании имеют наследственный характер и могут быть описаны уравнениями теории наследственности Больцмана-Вольтерра.

Достоверность сформулированных в диссертации предположений и выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований, применением для анализа деформативности реологической модели Максвелла и теории наследственности Больцмана-Вольтерра, а также положительными результатами испытаний опытно-промышленной партии продукции, проведенных в условиях ЗАО «Архангельский фанерный завод» (г. Новодвинск, Архангельская область). Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, их адекватность подтверждается проверкой в соответствии с общепринятыми методиками.

Практическая значимость работы:

1. Обоснована конструкция пакета и определены физико-механические свойства трудногорючей столярной плиты, позволяющей повысить пожаростойкость строительных конструкций и транспортных средств.

2. Разработан режим склеивания трудногорючих столярных плит с использованием древесины осины.

Применение в промышленности и строительстве разработанного материала с использованием древесины осины позволит:

1. Увеличить сырьевую базу лесопромышленного производства и эффективность лесозаготовок за счет использования маловостребованной древесины осины.

2. Повысить огнестойкость и снизить массу конструкционных материалов используемых в строительстве, вагонои судостроении.

3. Сократить расход антипирена и клея по сравнению с трудногорючей фанерной плитой.

Место проведения: Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С. М. Кирова на кафедре технологии деревообрабатывающих производств.

Апробация работы: Промышленная проверка разработанных режимов получения трудногорючей столярной плиты из древесины осины и березы проведена на ЗАО «Архангельский фанерный завод» (г. Новодвинск, Архангельская область). Разработаны технические условия (Приложение III) и осуществлен выпуск опытной партии (Приложение IV).

По результатам исследований опубликовано 3 статьи.

4.7 Выводы.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. На основании полученных в ходе эксперимента данных установлен рациональный режим склеивания трудногорючей столярной плиты толщиной 22 мм. Режим склеивания справедлив при использовании в качестве исходных материалов: березового шпона, осиновых делянок, клея на основе смолы марки СФЖ-3014 и антипирена на основе полифосфатов аммония. Рациональный режим склеивания трудногорючих столярных плит позволяет получать материал с минимально возможной плотностью при требуемой прочности плит при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном. В пределах варьирования переменных факторов, эти показатели достаточно точно описываются математическими моделями:

— прочность при скалывании по клеевому слою: а) в кодированном виде.

У = 2,4284 + 0,1803 • х1 + 0,2404 • х2 + 0,4039 • х3 + 0,0982 • х4 + 0,2379 • х5 — 0,0275 • х, • х2 — 0,089 -хгх3 + 0,0975 •х1-х4.

— 0,0205 -хгх5 — 0,2803 • х2 • х3 + 0,0229 • х2 • х4.

— 0,1582 • х2 • х5 — 0,0589 • х3 • х5 + 0,0335 • х4 • х5 б) в натуральном виде.

У = -40,256 + 2,7049 • Р + 0,2876 • t + 2,3495 ¦ г — 0,243 ¦ П + + 0,1223 • Я — 9,1667 • 10~3 • Р ¦ г — 0,1482 • Р • г + 8,125 • 10″ 2 • Р ¦ П —3,4167-Ю-3 — Р-Д-1,4015−10~2 — ¿-т+ 5,725-Ю-4 1-П— 7,91 • 10″ 4 • Я -1,4725 • Ю-3 • г • Я + 4,1875 • Ю-4 • Я • Д.

— плотность: а) в кодированном виде.

Г = 578,338+10,6991 • х^ + 7,7179- х2 +1,2833 • х3 +10,3458-х4 + + 7,5909-х5 + 3,4195 -хх • х2 +1,6391-х3-, 206-х1 ¦ х4 —1,9521 • х2-х3 -1,0368 ¦ л:2 • х5 +1,1296 ¦ х3 • х4 + 1,5765 • х3 • х5 б) в натуральном виде.

Г = 457,8452 — 116,3797 • Р + 0,5618 • г + 0,3001 • г + 2,883 • Я + + 0,6075 • Я +1,1398 • Р ¦ г + 2,7323 • Р • т -1,005 • Р • Я.

— 9,7603-Ю" 2 •Гт-5,184−10~3 -Г-Я + 0,1412т-Я + 3,914-Ю" 2 -т • Я.

2. Остаточная деформация пакета трудногорючей столярной плиты достаточно точно описывается математической моделью: а) в кодированном виде.

Г = 4,0441 +1,0501 • х1 + 0,7026 • х2 + 0,4848 • х3 — 0,7042 • х4 + + 0,2673-х, -х2 +0,24-Л, -Х3 -0,1221-Х, -0,3694-Д:2 -Х4 — 0,2159 -х2 •х5 -0,1698-х3 -л:4 -0,2635 -х3 • х5 б) в натуральном виде.

Г = -31,916−9,9707-Р + 0,1861-Г+ 0,7723-г+ 1,3178-Я + + 0,1954 • Я + 8,91 • 10″ 2 • Р • / + 0,4 • Р • т — 0,1018 • Р • Я —9,235-Ю-3 — Г-Я-1,08−10″ 3 Я-2,1225−10″ 2 т-Я—6,5875-Ю-3 -т-Я.

3. Цеховая себестоимость производства трудногорючей столярной плиты составила 12 497,04 руб/м3, что на 1315,74 руб. меньше аналогичного показателя у плиты фанерной трудногорючей. При объеме производства 10 000 м³ в год экономический эффект составит 13,16 млн. рублей. Кроме экономического, положительный эффект от производства трудногорючей столярной плиты достигается за счет применения невостребованного осиного сырья и снижения массы материала.

Заключение

.

В результате проделанной работы подтверждена актуальность темы исследований, определяемая потребностью отдельных отраслей экономики в трудногорючих материалах.

На основании анализа состояния вопроса, теоретических и экспериментальных исследований установлено:

1. Для получения трудногорючей столярной плиты, пригодной к использованию в строительстве, вагонои судостроении, необходимо применять глубокую пропитку шпона и делянок в автоклаве (или ванне с последующим удалением сухой соли антипирена с поверхности). Методы глубокой пропитки позволяют достичь большого поглощения антипирена, что обеспечивает получение трудногорючего материала, и позволяют проводить дальнейшую обработку и отделку материала без потери трудногорючих свойств.

2. Столярная плита, обоснованной в работе конструкции, относится к группе трудногорючих материалов при содержании антипирена в делянках среднего слоя не менее 8%. При меньшем содержании антипирена, аммиака выделяющегося при горении плиты недостаточно для угнетения пламенного горения боковых кромок плиты.

3. Антипирен оказывает значительное влияние на деформацию трудногорючих столярных плит и характер их деформирования во времени. Даже в минимальных количествах антипирен приводит к снижению полной и остаточной деформации в 1,5.2 раза по сравнению с плитами со средним слоем из непропитанных делянок. Аммиак, содержащийся в полифосфатах аммония, пластифицирует древесину и значительно снижает её модуль упругости. В результате на этапе создания давления происходит значительное уплотнение древесины. В процессе выдержки под давлением кристаллы антипирена начинают оказывать сопротивление сжатию и приводят к снижению скорости деформирования и уменьшают влияние температуры и давления склейвания на деформацию плиты. Деформация пакета трудногорючей столярной плиты в процессе пьезотермической обработки имеет наследственный характер и может быть описана уравнениями теории наследственности Больцмана-Вольтерра, а также реологической моделью Максвелла.

4. Плотность трудногорючих столярных плит на 20.30% ниже, чем плотность трудногорючей фанерной плиты. Снижение плотности связано с применением осины для производства делянок среднего слоя плиты и меньшим содержанием антипирена в них. Плотность столярной плиты зависит от содержания антипирена в делянках. Увеличение количества антипирена приводит к её росту. В тоже время антипирен снижает деформацию, тем самым уменьшая плотность готовой плиты.

5. На прочность трудногорючих столярных плит при статическом изгибе поперек делянок среднего слоя оказывают действие антипирен и остаточная деформация. С увеличением степени пропитки делянок и уменьшением остаточной деформации плит прочность при статическом изгибе снижается. Это вызвано действием антипирена и снижением степени уплотнения делянок среднего слоя. Прочность плит изменяется от 30 МПа до 43 МПа.

6. Влияние содержания антипирена на прочность столярных плит при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после кипячения в воде в течение 1 час слабо выражено. При использовании осины в качестве материала для среднего слоя столярных плит антипирен оказывает положительное влияние на качество склеивания. Он не дает клею проникнуть глубоко в древесину делянок и нарушить целостность клеевого слоя.

7. На основании полученных в ходе многофакторного эксперимента данных установлен рациональный режим склеивания трудногорючей столярной плиты:

Давление склеивания, МПа 1,4;

Температура плит пресса, °С 110;

Время выдержки под давлением, мин 10;

Содержание антипирена в делянках среднего слоя, % 8;

Расход клея, г/м2 125.

Рациональный режим склеивания позволяет получить минимальную плотность столярной плиты при прочности при скалывании по клеевому слою между делянками среднего слоя и шпоном после выдержки в воде в течение 1 часа при температуре 100 °C не ниже 1,0 МПа.

8. При объеме производства трудногорючих столярных плит 10 000 м³ в год экономический эффект составит 13,16 млн. рублей. Кроме того, положительный эффект от производства разработанной плиты достигается за счет применения невостребованного осиного сырья и снижения плотности материала.