Разработка технологии получения изделий экструзией из древесных отходов без добавления синтетических связующих

Актуальность темы

исследования. В лесном комплексе неизбежно образуются древесные отходы в виде отдельных частей биомассы дерева, которые остаются невостребованными, часто вывозятся в отвалы: маломерные деревья, низкокачественная древесина, опилки, стружки, шлифовальная пыль, гидролизный лигнин. Поэтому во всем мире продолжаются поиски рационального использования неликвидных отходов лесного хозяйства, лесозаготовок, деревообработки, целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности.

Для реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье» предусматривается масштабное строительство индивидуальных и малоэтажных домов из сборных деревянных конструкций полной заводской готовности по доступной цене.

Одним из перспективных направлений получения строительных материалов и изделий из древесины (сплошного и пустотелого бруса, профилей окон, плинтуса, накладок, планок, наличников и т. п.) является производство древесных композиционных материалов из древесных отходов (ДКМДО).

Во многих странах существует производство ДКМДО с добавлением к древесным отходам термореактивных и термопластичных органических и минеральных связующих.

Известна возможность получения ДКМДО плоским горячим прессованием из отходов деревообработки без добавления синтетических связующихпьезотермопластиков (ПТП) [1] или лигноуглеводных древесных пластиков (ЛУДП) [2]. Несмотря на ряд достоинств и очевидные экологические преимущества, технология производства ПТП и ЛУДП широкого применения так и не нашла из-за сложности технологического процесса и низкой производительности.

Недостаточно изученным является возможность получения без добавления синтетических связующих ДКМДО экструзионным методом, который обладает высокой производительностью, сокращает число технологических oneраций и технологических отходов при непрерывном производстве строительных изделий различного назначения и формы.

Цель и задачи работы. Основной целью данной работы является научное обоснование и разработка технологии получения методом экструзии древесных пластиков из древесных отходов без добавления синтетических связующих (ДП-БС).

В связи с этим были определены следующие задачи исследования: исследование термокинетики образования ДП-БС и влияния модификаторов на данный процессисследование закономерностей формирования свойств ДП-БС в закрытых пресс-формах под воздействием температуры, давления, влажности пресс-сырья и его химической модификацииисследование влияния характеристик древесного наполнителя и химической модификации исходного пресс-сырья на технологические и эксплуатационные свойства ДП-БСисследование влияния основных технологических факторов на свойства ДП-БС, полученных методом экструзииисследование изменений физико-механические свойства ДП-БС во время их эксплуатации и хранения при различной температуреразработка технологии получения ДП-БС методом экструзии. Научная новизна работы.

1. Изучена термокинетика образования ДП-БС и влияния модификаторов на данный процесс.

2. Получены закономерности формирования свойств ДП-БС в закрытых пресс-формах под воздействием температуры, давления, влажности пресс-сырья и его химической модификации.

3. Исследовано влияния основных технологических факторов на свойства ДП-БС, полученных методом экструзии.

4. Изучено изменение свойств ДП-БС при коротком и длительном времени выдержки в условиях повышенных температур. Спрогнозированы возможные сроки эксплуатации древесных пластиков.

Практическая значимость заключается в разработке экструзионного метода и технологии получения пластиков из древесных отходов без добавления синтетических связующих. Определены рациональные значения основных технологических факторов, обеспечивающие технологические свойства ДП-БС, полученных методом экструзии. Внедрение разработанной технологии позволит организовать непрерывное производство погонажных строительных изделий с пониженной себестоимостью, а также утилизировать древесные отходы. Так, например, технологическая себестоимость изготовления из древесных отходов от деревообработки по разработанной технологии пустотелого бруса сечением 200×150 мм с толщиной стенки 30 мм составляет 1163,83 руб/м3, а рыночная стоимость соснового бруса из цельной древесины ~5000 руб/м3.

Технология экструзионного получения из древесных отходов от деревообработки апробирована на ЗАО «ПМК-240 Агрострой» и ООО «ПРОМСНАБ» (г.Екатеринбург).

Теоретические положения производства экструзионного ДП-БС из древесных отходов, методики экспериментальных исследований, разработанные автором, используются в ГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» в учебном процессе при преподавании дисциплин «Технология и оборудование переработки полимеров и композитов», «Технология и оборудование древесных плит и пластиков» и «Очистка и рекуперация промышленных выбросов», «Технология и оборудование производства изделий из пластмасс и композиционных материалов» и «Конструирование оснастки и изделий из пластмасс и композиционных материалов».

Апробация работы.

Результаты работы доложены и обсуждены на научно-технической конференции студентов и аспирантов УГЛТУ (Екатеринбург, 2004) — всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Екатеринбург,.

2005) — научно-технической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Екатеринбург, 2005) — II Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Екатеринбург,.

2006) — VI Международной научно-технической конференции «Урал промышленный — Урал полярный: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Екатеринбург, 2007) — III всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи — лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2007) — Третья Всероссийская научно-техническая Интернет-конференция «Современные проблемы экологии и безопасности» (Тула,.

2007) — IV всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи — лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2008) — VII Международной научно-технической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса в рамках концепции 2020» (Екатеринбург, 2009), 12-ая Международной научно-практической конференции «Древесные плиты: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2009) — V всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи — лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2009).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 15 научных работ. Благодарности.

Автор диссертационной работы искренне благодарит преподавателей, сотрудников и аспирантов кафедры технологии переработки пластмасс ГОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».

1.4 Общие выводы по аналитическому обзору.

В деревообрабатывающих производствах образуется большое количество отходов (опилки, стружки, пыль), которые не находят полного и рационального использования. Эти отходы, как правило, чистые и сухие, в основном из хвойных пород древесины. Данные отходы широко используются для производства композиционных древеснополимерных материалов (КДПМ) с синтетическими фенолои карбамидоформальдегидными связующими.

Из КДПМ путём горячего прессования может изготовляться большая номенклатура изделий для машиностроения, строительства, мебели, товаров народного потребления. КДПМ хорошие заменители дорогостоящих пластмасс, цветных металлов, цельной древесины, фанеры и других материалов.

Однако использование различных видов связующих в свою очередь повышает стоимость изделий и ухудшает санитарно-гигиенические показатели готовой продукции, кроме того, производство древесных пластиков с добавлением связующих является экологически небезопасным.

В связи с этим изготовление изделий на основе ДП-БС имеет преимущества с точки зрения санитарно-гигиенических и экологических требований.

ДП-БС с высокими физико-механическими свойствами можно получить только при оптимальных режимах пьезотермической обработки прессматериалов на основе древесины, одревесневших растительных остатков, гидролизного лигнина в герметизированном пространстве. Одновременно необходимо отметить, что производство ДП-БС «традиционными» способами — методы горячего плоскостного прессования — показали свою экономическую нецелесообразность, которая связана с низкой производительностью прессового оборудования и значительному расходу энергии. Для эффективного решения этих вопросов необходима разработка технологии для устранения данных недостатков, в частности использование метода экструзии.

Помимо этого, исходные пресс-композиции обладают низкими показателями пластично-вязкостных свойств. Этот вопрос может быть решен путем добавления в пресс-материал модифицирующих добавок, молено в значительной степени ускорить процессы образования ДП-БС, улучшить физико-механические свойства пластика, а также провести его получение в более «мягких» условиях (при пониженных значениях давления и температуры).

Однако для практического внедрения данного предложения необходимы убедительные доказательства высоких эксплуатационных свойств изделий и сохранности этих свойств в процессе эксплуатации внутри отапливаемых помещений. Для прогноза долговечности для данного случая возможно использование результатов как натурных естественных испытаний, так и экстраполяционного метода ускоренного теплового старения.

Поэтому данная диссертационная работа направлена на научное обоснование и разработки технологии получения ДП-БС, с использованием модифицирующих добавок, методом экструзии, а таклее прогнозирование возмолс-ных сроков эксплуатации изделий из ДП-БС в отапливаемых помещениях по результатам теплового старения и натурных исследований.

Глава 2 Выбор и обоснование научного направления.

Изделия из ДП-БС часто не уступают по физико-механическим свойствам изделиям, изготовленным на основе синтетических связующих (см. табл. 1.2). Производство изделия из ДП-БС имеет экологическую направленность, так как предполагается утилизация растительных отходов (опил, стружка, древесная пыль), гидролизного лигнина и других материалов без использования органических и неорганических токсичных связующих, как и технология их получения. Несмотря на явные экологические и экономические преимущества ДП-БС, технология получения изделий из них слабо внедряется.

2.1 Недостатки плоского прессования как метода получения ДП-БС.

Работы по применению древесных плит без добавления связующих (ЛУДП, ПТП) ведутся в ряде организаций с шестидесятых годов.

Достоинством этого материала является его высокие эксплуатационные свойства, дешевизна исходного материала, отсутствие дорогостоящего связующего, экологическая безопасность производства и эксплуатации.

Несмотря, на очевидные экологические и, казалось бы, экономические преимущества ДП-БС (ПТП, ЛУДП) перед другими ДП (ДСтП, ДВП, фанера) внедрение технологии по производству ДП-БС (ПТП, ЛУДП) осуществляется очень медленно и в малых масштабах, хотя например назначение плит из ЛУДП и ДСтП примерно одинаково.

Сравнивая свойства плит из ЛУДП и ДСтП и технологии их производства, молено увидеть, почему плиты из ЛУДП оказываются не конкурентоспособными с ДСтП: производительность по получению плит из ЛУДП примерно в 5 раз ниже производительности по производству ДСтП [2, 9]- при производстве плит из ЛУДП имеет место очень большие потери тепла, поскольку плиты обогрева пресса при каждом цикле прессования охлаждаются до температуры 25.40°С, а затем снова нагреваются до температуры прессования [2]- расход энергии на нагрев пресс-материала при производстве плит из ЛУДП значительно больше, чем при производстве ДСтП. В данном случае достаточно прогреть материал внутренних слоев плиты до Ю5.110°С и под действием этой температуры и отвердителя происходит отверждение смолы (КФО) [9]. При производстве плит из ЛУДП необходимо прогреть весь материал, в том числе и внутренних слоев, до температуры прессования 170. 180 °C [2]- при производстве плит из ЛУДП требуется большой расход воды для охлаждения плит обогрева пресса и плит из ЛУДП от 170. 180 °C до 25.40°С при каждом цикле прессованиядавление прессования плит из ЛУДП выше (3,5 МПа) [2], чем давление прессования ДСтП (2,5 МПа) [9]. Это приводит к уменьшению площади прессования (на одном и том же прессе), а, следовательно, и к снижению производительности на 28%- отходы при обрезке кромок при производстве ДСтП составляет примерно 4% [10], а при производстве плит из ЛУДП — 13,6% [2]. Следовательно, производительность уменьшается на 9,6%- о расход древесного сырья при производстве плит из ЛУДП (2,98 м /м) [2], о о что в 1,9 раза больше, чем при производстве ДСтП (1,57 м /м) [9]- 3 плотность плит из ЛУДП (1230 кг/м) [2], что в 1,76 раза больше плотности ДСтП (700 кг/м3) [9, 10, 37]. Это приводит к большим расходам при транспортировке плит и изделий из нихплиты из ЛУДП необходимо кондиционировать в течение 30 суток, или более короткое время, но при температуре 90.120°С [2]- для производства плит из ЛУДП на прессах, предназначенных для производства ДСтП, их необходимо модернизировать (вводить систему охлаждения) [2]- более высокие требования к древесному ковру при производстве ЛУДП делают невозможным использование существующих формующих головок ДФ-2 [2]- при холодной подпрессовке ковра при производстве плит из ЛУДП требуется более высокое давление (2,5 МПа) [2]- для предотвращения прилипания плит из ЛУДП к поддонам необходимо напыление антиадгезионного вещества (тальк) на поддоны и устройство для его осуществления [2]- поскольку плотность и твердость плит из ЛУДП выше, чем у ДСтП, то при обрезке кромок и раскрое плит требуется большой расход энергии и режущего инструмента [2]- из всех перечисленных способов получения ДП-БС наиболее простым является первый [гл.1]. Этот способ особенно выгодно применять тогда, когда влажность отходов невысокая, обычно не превышающая 12% [1]. Из второго способа наиболее простым является вариант, а [гл.1], когда предварительная обработка растительного пресс-материала осуществляется в процессе его сушки при сравнительно высокой температуре. Во всех остальных случаях в технологический процесс входит дополнительная операция предварительного гидролиза или поликонденсации растительного пресс-материала, однако при этом представляется возможным снизить давление и температуру при прессовании пьезотермопластиков [1].

2.2 Экструзия — как альтернативный метод получения ДП-БС ДП-БС с высокими физико-механическими свойствами можно получить только при оптимальных режимах пьезотермической обработки пресс-материалов на основе древесины, одревесневших растительных остатков, гидролизного лигнина в герметизированном пространстве. Одновременно необходимо отметить, что производство ДП-БС «традиционными» способами — методы горячего плоскостного прессования — показали свою экономическую нецелесообразность, которая связана с низкой производительностью прессового оборудования и значительному расходу энергии. Для эффективного решения этих вопросов необходима разработка технологии для устранения данных недостатков, в частности использование метода экструзии.

Экструзионный метод позволит полностью механизировать и автоматизировать установку, обладает высокой производительностью, сокращает число технологических операций и технологических отходов при непрерывном производстве профильных изделий различного назначения и формы. Применение изделий, изготавливаемых экструзионным методом, обеспечивает реальное снижение их материалоемкости.

Методом экструзии, возможно, также получать различные погонажные изделия различной конфигурацией и сечениями (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. Возможные варианты сечения изделий, получаемых методом экструзии.

Глава 3 Обоснование возможности получения ДП-БС экструзионным методом.

Как отмечалось выше, качество ДП-БС в значительной степени зависит от влажности и породы древесины, размера частиц, величины давления прессования, температуры пресс-материала в момент прессования, длительности выдержки пресс-материала под давлением и повышенной температурой и так далее. В любом случае ДП-БС с высокими физико-механическими свойствами можно получить только при оптимальных режимах пьезотермической обработки пресс-материалов (древесины, гидролизного лигнина и др.) в герметизированном пространстве.

В данной главе рассмотрены вопросы образования ДП-БС с использованием метода плоского горячего прессования в герметизированном пространстве (в закрытых пресс-формах), кинетики образования ДП-БСвлияние модификаторов на свойства ДП-БСизменение свойств ДП-БС при коротком и длительном времени выдержки в условиях повышенных температурсроки эксплуатации древесных пластиковсравнение различных партий и образцов ДП-БС по физико-механическим свойствам.

Рассмотренные вопросы процесса образования ДП-БС методом плоского горячего прессования необходимы для последующих исследований закономерностей формирования ДП-БС методом экструзии.

3.1 Исследование кинетики образования ДП-БС.

Предыдущими исследованиями кинетики образования ДП-БС [105] по методу деформирования образца-диска между плоскопараллельными плитами [106, 107] показано, что процесс образования пластика протекает в две стадии и завершается за 10−12 мин. Исследование тепловых режимов прессования пластика показало, что процессы превращения компонентов древесины при повышенных давлениях прессования протекают с выделением экзотермического тепла в течение всего периода выдержки в пресс-форме. Выяснено так же, что при выборе температурно-временного режима прессования пластика ДП-БС в закрытых пресс-формах нет необходимости выдерживать его при температуре прессования длительное время [105].

Закономерности образования ДП-БС были изучены с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) [108, 109].

Характеристика композиции, использованная для выполнения исследований методом ДСК, представлена в табл. 3.1.

Заключение

.

1. Методом ДСК исследована термокинетика образования ДП-БС в замкнутом пространстве. Полученные кинетические данные показывают, что наблюдается двухступенчатый режим превращения компонентов древесины: наличие двух пиков. Эндотермический пик на кинетических кривых определяет процессы термогидролитического распада компонентов древесины, а экзотермический пик — стадию структурообразования пластика.

2. Показано, что путем модификации древесных частиц уротропином, карбамидом, медным купоросом, гидролизным лигнином можно увеличить текучесть древесной пресс-массы и улучшить эксплуатационные свойства древесных пластиков, которые молено получать из этих пресс-материалов без добавления связующих в закрытых пресс-формах. При этом возможно использование смесей модификаторов. Получены уравнения линейной регрессии, которые позволяют прогнозировать влияние приведенных выше модификаторов и их смесей на свойства ДП-БС. Определены оптимальные значения содержания модификатора и их смесей, условий и факторов получения ДП-БС с высокими эксплуатационными свойствами методом горячего прессования в закрытых пресс-формах.

3. Предположено, что при плотности ДП-БС более 1150 кг/м происходит завершение структурообразования пластика.

4. Получены уравнения для сравнения различных партий и образцов ДП-БС по физико-механическим свойствам (прочности при изгибе и водопоглощению), приводя свойства к одинаковой плотности пластика. При этом можно проводить сравнение прочности при изгибе ДП-БС, имеющих различную плотность, независимо от породы древесины, из которой был получен пластик.

5. Установлено, что при длительном хранении (4 года) в отапливаемом помещении у ДП-БС происходит снижение модуля упругости при изгибе.

Найдены уравнения зависимости изменения модуля упругости при изгибе от времени в отапливаемом помещении.

6. Дано прогнозирование возможных сроков эксплуатации изделий ДП-БС в отапливаемых помещениях по результатам теплового старения.

7. Изучено влияния различной температуры и времени на эксплуатационные свойства изделий ДП-БС, изготовленных методом горячего прессования, а также дана сравнительная оценка эксплуатационных свойств этих изделий.

8. Показана возможность получения ДП-БС на основе древесных отходов и модифицирующих веществ (карбамид, сульфат меди) методом экструзии не уступающим по физико-механическим свойствам материалам, полученных традиционными методами плоского и экструзионного прессования. Получены системы уравнений для описания изучаемых процессов экструзии при изготовлении древесных пластиков и определены рациональные режимы экструзии.

9. Разработана технологическая схема производства изделия в форме бруса из древесных отходов и модифицирующих веществ (без добавления синтетических связующих) методом экструзии. Организация производства изделия в форме бруса на основе древесных отходов методом экструзии позволяет уменьшить себестоимость готового изделия за счет древесных отходов производства и отсутствия связующего. Предполагаемая полученная продукция не уступает необходимым требованиям.