Совершенствование технологии изготовления клееной фанеры на основе применения фурановой смолы

Огромные лесные ресурсы России, постоянно растущий спрос на древесину являются определяющим стимулом развития лесного рынка и лесной промышленности в целом. В основных направлениях развития лесной промышленности на перспективу до 2015 года определены положения, исходя из которых Россия будет строить свою стратегию развития. В первую очередь, это развитие производств по углубленной переработке древесины, удовлетворение внутреннего спроса за счет высококачественной продукции российского производства, укрепление позиций на традиционных экспортных рынках и развитие экспорта продукции глубокой переработки. По прогнозу, к 2015 году объем экспорта лесопродукции из России (это будет преимущественно продукция глубокой переработки древесины) возрастет до 30 млрд. USD. По прогнозам специалистов, значительные объемы при этом будет занимать фанерная продукция. Фанера — одна из возможных модификаций древесины — широко используется в качестве конструкционного мател л риала. 1 м фанеры заменяет в народном хозяйстве страны 2.5 м деловой древесины [I]. Многолетний опыт применения клееной фанеры показывает, что она является не только высококачественным, но и достаточно экономичным материалом по сравнению с заменяемыми ею пиломатериалами.

3 3.

Вместе с тем на изготовление 1 м фанеры требуется 2.2−2.6 м сырья. Образующиеся при этом отходы используются для производства ДСтП, на топливно-энергетические нужды, либо вывозятся в отвал. В связи с ожидаемым ростом объемов выпуска продукции лесопромышленного комплекса будет увеличиваться и доля неиспользованных отходов. Поэтому работы, связанные с вовлечением в переработку древесных отходов, являются актуальными и своевременными. В настоящее время для склеивания фанеры наиболее широко применяются карбамидоформальдегидные и фенолформальдегидные смолы, позволяющие изготавливать клееную продукцию с высокими физико-механическими показателями, но не удовлетворяющие в полной мере экологическим требованиям, как при производстве, так и при ее эксплуатации. Поэтому проблема производства высококачественной фанерной продукции с высокими физико-механическими показателями на основе применения низкотоксичных смол является актуальной. Одним из способов снижения токсичности древесных клееных материалов является поиск связующего, практически не содержащего формальдегид. Одним из таких направлений может стать применение в качестве связующего фурановой смолы, известной как низкотоксичный материал, используемый преимущественно в строительстве, а также для модификации древесины, с целью улучшения биои огнестойкости, а также других физико — механических показателей. Основной компонент фурановых смол — фурфурол, который можно получать из отходов лесозаготовок (лесосечных отходов), лесопиления и деревообработки, составляющих от 30 до 45% объема перерабатываемой древесины. Поэтому производство фурфурола и клееных материалов на его основе не только позволит получать малотоксичную продукцию, но и обеспечит повышение комплексности использования сырья. На кафедре механической технологии древесины (МТД) Костромского технологического университета в 1996;1998 г. г. Межовым И. С. и Угрюмовым С. А. были проведены исследования по применению фурановой смолы в производстве водостойкой фанеры и древесностружечных плит. Произведены опытные запрессовки фанеры с применением фурановой смолы в качестве связующего в условиях ОАО «Фанплит» и ОАО «Мантуровский фанерный комбинат», которые показали высокие физико-механические показатели и малую токсичность. Положительные результаты исследований подтверждены независимой экспертизой испытательного лабораторного центра ЦГСЭН в Костромской области, ЗАО «ВНИИДРЕВ» и ОАО «ЦНИИФанеры». Анализ состояния вопроса показал, что на сегодняшний день отсутствует необходимое теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных технологических режимов изготовления фанеры на основе применения фурановых смол. Знание закономерностей процесса образования клеевого соединения листов шпона фурановыми смолами дает возможность обоснования технологических параметров производства фанеры и рекомендовать их к внедрению. Необходимость проработки темы обусловлена тем, что высокие физико-механические свойства и пониженная токсичность фанеры, полученной с применением в качестве связующего фурановых смол, позволяет расширить область применения готовой продукции и прогнозировать высокий потребительский спрос. Своевременность исследований по вопросу применения фурановых смол в производстве фанеры подтверждается также следующим положением. Фанера, как и любой товар на рынке, проходит три стадии: завоевание рынка, насыщение рынка, спад спроса на данную продукцию. По оценкам специалистов, выпускаемая сейчас фанера (на основе карбамидои фенолформальдегидных смол) проходит вторую стадию. Поэтому для обеспечения прогрессивного развития фанерного производства необходимо разрабатывать новые виды фанеры уже на этапе насыщения рынка. Повышение конкурентоспособности фанеры возможно за счет расширения ассортимента фанерной продукции, повышения ее качества, экономичности процесса изготовления.

Цель работы — улучшение эксплуатационных свойств клееной фанеры на основе применения низкотоксичных фурановых смол. Научная новизна работы:

— математические модели процесса склеивания шпона с применением фурановой смолы, учитывающие специфику отверждения клеевой композиции, позволяющие определить рациональные параметры изготовления фанеры;

— состав клеевой композиции, включающий специальный отвердитель, позволяющий снизить температуру отверждения фурановой смолы, при производстве фанеры повышенной водостойкости в соответствии с ГОСТ 3916.1 — 76;

— разработаны рациональные режимы изготовления фанеры повышенной водостойкости на основе низкотоксичной фурановой смолы, позволяющие получать фанеру с заданными эксплуатационными свойствами;

— методика определения содержания свободного фурфурола, позволяющая определить токсичность получаемой фанеры.

Результаты работы, выносимые на защиту: математические модели процесса склеивания березового шпона фур-фуроло — ацетоновым мономером ФА позволяют решить задачу оптимизации эксплуатационных характеристик фанерыприменение фурановой смолы в качестве связующего для производства клееной фанеры с точки зрения комплексного решения вопросов производства конкурентоспособной фанерной, позволяющие решить задачу совершенствования технологии изготовления клееной фанеры и вопросы утилизации древесных отходовиспользования каолина в клеевую композицию на основе фурановой смолы исключает просачивание клея на поверхность шпона, улучшая тем самым качество готовой продукции.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается приемлемым совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований. Математические модели получены при корректных допущениях, не противоречат существующим теориям склеивания древесины. Расчеты выполнены с применением современных средств вычисления и программного обеспечения. Достоверность экспериментальных исследований подтверждена в ходе промышленных испытаний по производству фанеры.

Теоретическая значимость работы: -получены математические модели процесса склеивания шпона клеевой композицией на основе применения фурановой смолы, учитывающие специфику отверждения клеевой композиции, позволяют управлять процессом с целью улучшения водостойкости фанеры;

— разработана методика определения свободного фурфурола в изготавливаемой фанере, которая позволяет контролировать токсичность фанерной продукции.

— состав клеевой композиции, включающий специальный отвердитель, позволяющий снизить температуру отверждения фурановой смолы, при производстве фанеры повышенной водостойкости.

Практическая значимость работы:

— исследованы технологические свойства разработанного клея и условия его применения в производстве фанеры;

— определены режимы склеивания березового шпона фурфуроло — ацетоновым мономером ФА, обеспечивающие повышенную водостойкость фанеры;

— разработан временный технологический регламент производства фанеры на основе применения фурановой смолы;

— обоснованы рекомендации по составу клеевой композиции, позволяющие улучшить эксплуатационные свойства фанеры.

Работа выполнена на кафедре механической технологии древесины Костромского государственного технологического университета.

Апробация работы. Основные положения, разработанные в диссертации, отдельные ее разделы были рассмотрены на следующих конференциях:

1. Конференция молодых ученых КГТУ (апрель 2002,2004, Кострома);

2. Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию Костромского государственного технологического университета (октябрь 2002, Кострома);

3. Сессия Координационного Совета по современным проблемам древесиноведения и семинар «Древесиноведческие аспекты проблемы переработки и использования низкокачественных лесоматериалов и отходов» (17−19 сентября 2003, Кострома);

4. Научно-практическая конференция «Перспективы развития производства и применения карбомидоформальдегидных смол и концентратов» (21−22 ноября 2002, Губаха, Пермская обл.);

5. Международная научно-техническая конференция в Костромском государственном технологическом университете (октябрь 2004).

По материалам исследования опубликовано 5 работ, поданы две заявки на патент Российской Федерации. Результаты исследований нашли отражения в отчетах по научно-исследовательским работам № 30-НИ-20, № 4-ГР-1.

Реализация работы. Основные результаты исследований апробированы в ОАО «Фанплит» г. Кострома.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. В настоящее время для производства фанеры повышенной водостойкости применяют фенол-формальдегидные смолы, которые обладают высокой токсичностью. Одним из возможных способов снижения токсичности фанерной продукции является применение для склеивания листов шпона фурановых смол.

2. Использование фурановых смол для изготовления фанеры позволяет вовлечь в переработку значительные объемы вторичных древесных ресурсов, так как основной компонент для производства фурановых смол (фурфурол) — продукция лесохимической переработки древесины.

3. Анализ свойств фурановых смол и опыта применения их в других сферах позволяет прогнозировать помимо увеличения водостойкости фанеры, улучшение показателей огне-, био-, химической стойкости продукции.

4. Фурановые смолы являются термореактивными, поэтому отверждение их идет по общим закономерностям характерным для этого типа смол.

5. В результате теоретических исследований установленно, что полифункциональность производных фурана вследствие наличия ненасыщенных связей в цикле, карбонильной и винильной групп в боковой цепи, а также подвижных атомов водорода обуславливает возможность синтеза на их основе термореактивных олигомеров, способных при термическом или термокатолитивном воздействии образовывать неплавкие и нерастворимые густосетчатые полимеры.

6. Фурановая смола имеет обобщенные показатели качества в 1,8.2,2 раза выше, чем существующие синтетические смолы (СФЖ1330), что позволяет прогнозировать эффективность применения фурановых смол при производстве водостойкой низкотоксичной фанеры.

7. Расчетным путем получено значение давления прессования при производстве фанеры на основе фурановой смолы, обеспечивающего условия необходимого контакта склеиваемых поверхностей — не менее 1,7 Мпа.

8. В ходе экспериментальных исследований установлено, что наибольшее влияние на физико-механические характеристики фанеры оказывает температура и количество отвердителя. Для получения максимальной прочности фанеры необходимо использовать п-толуолсульфокислоту в количестве 5%.6%.

9. Обеспечение требуемого качества фанеры достигается при использовании в качестве наполнителя каолина. Полученная фанера обладает высокими физико-механическими и прочностными свойствами. При увеличении процента наполнителя с 5% до 20% предел прочности возрастает, разбухание уменьшается с 24.6% до 19%, водопоглощение увеличивается с 48% до 51%.

10. С помощью метода крутого спуска получены значения технологических параметров процесса склеивания шпона клеевой композицией на основе фурановой смолы, обеспечивающие минимальное разбухание по толщине: температура 1=160 °Свремя выдержки под давлением т =7,5 минколичество добавляемого отвердителя Ко=5,4%. Разбухание при этом составляет 13,5%, что на 2% ниже, чем у фанеры марки ФСФ.

11. Получены математические модели процесса склеивания, которые адекватно описывают влияние технологических факторов на разбухание, водопоглощение и прочность фанеры. Указанные модели могут быть использованы на практике при управлении процессом склеивания шпона, с целью улучшения эксплуатационных показателей водостойкой низкотоксичной фанеры.

12. Разработанная методика определения свободного фурфурола рекомендуется к использованию на практике при определении токсичности готовой фанеры.

13. Низкая токсичность фанеры на основе фурановых смол подтверждена экспериментально, что позволило сделать заключение о целесообразности приприменения этого материала в производстве мебели, строительстве и других сферах. В фанере, склеенной с применением фурановой смолы, приготовленной в лаборатории кафедры МТД КГТУ, содержание свободного фурфурола не превышает 5 мг/100 г.

14. Применение фурановых смол в производстве фанеры повышенной водостойкости повышает ее себестоимость по сравнению с технологией на основе меламиновых и фенольных смол. Для снижения стоимости фанеры на основе фурановых смол рекомендуется увеличение объемов производства фурфурола на мини заводах в местах образования древесных отходов.

15. Результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы в ОАО «Фанплит» г. Кострома. Инвестиции в объеме 2256 тыс. руб. по переводу предприятия на выпуск фанеры на основе фурановой смолы окупятся за 1 месяц. Дополнительно может быть достигнута экономия средств за счет снижения экологического ущерба.