Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

В настоящее время одним из актуальных направлений развития лесопромышленного комплекса России является совершенствование технологий глубокой переработки древесины. К данному направлению относятся задачи повышения технико-экономической эффективности производства древесно-стружечных плит (далее по тексту ДСтП). Такие плиты представляют собой композиционный материал, изготовленный путем горячего прессования смеси частиц измельчённой древесины, связующего и, при соответствующем обосновании, специальных добавок [1].

В современных условиях возрастающее значение приобретают задачи повышения физико-механических свойств и экологических характеристик ДСтП, что предполагает совершенствование технологии их изготовления, в том числе с использованием низкокачественной древесины. В этой связи к числу актуальных относится задача обоснования применения добавок к связующему для ДСтП. В данной работе представлены методика и результаты экспериментального исследования о влиянии добавок нанопорошка шунгита в связующее для трехслойных ДСтП на основе карбамидоформальдегидной смолы.

С учетом ранее выполненных исследований и литературных данных была сформулирована гипотеза о влиянии нанопорошка шунгита (далее по тексту НПШ) на физико-механические свойства древесно-стружечных плит. В соответствии с этой гипотезой в процессе отверждения меламиноформальдегидной, фенолформальдегидной или карбамидоформальдегидной смолы, модифицированной добавкой НПШ, образуется трехмерная структура, которая повышает физико-механические свойства материала плиты [1], [4], [5], [6].

Первая проверка гипотезы была проведена в ходе полупромышленных экспериментов по изготовлению однослойных ДСтП с использованием НПШ. Результаты испытаний этих плит [3] показали, что добавка НПШ в клеевой раствор заметно уменьшает время желатинизации карбамидоформальдегидной смолы КФ-НФП. Прочность при статическом изгибе и при растяжении перпендикулярно пласти увеличиваются. Повышается водостойкость и уменьшается разбухание ДСтП по толщине. Уменьшается эмиссия формальдегида.

Были проведены также аналогичные исследования  с использованием карбамидоформальдегидной смолы КФС-15, в ходе которых изготавливались и испытывались трёхслойные ДСтП. Полученные результаты также показали, что добавление НПШ в клеевой раствор приводит к улучшению физико-механических свойства плит [2].

Результаты упомянутых выше экспериментальных исследований позволили определить, что оптимум количества НПШ в клеевом растворе находится около 10 % от массы абсолютно сухой смолы. По этой причине было решено выполнить исследование физико-механических свойств трёхслойных ДСтП, изготовленных с использованием смолы КФ-НФП, модифицированной НПШ в количестве 10 % от массы абсолютно сухой смолы.

Цель исследования: проверить гипотезу о положительном влиянии на физико-механические свойства трёхслойных ДСтП добавки НПШ в клеевой раствор на основе карбамидоформальдегидной смолы КФ-НФП.

Материалы и методы исследования

Экспериментальные исследования были проведены в два этапа. На первом этапе в лабораторных условиях из стружки, полученной на предприятии по производству ДСтП, с использованием лабораторного смесителя и горячего пресса изготавливались трёхслойные плиты. Первая группа плит была изготовлена с использованием клеевого раствора, приготовленного из водного раствора смолы и водного раствора отвердителя. Вторая группа плит была изготовлена с использованием клеевого раствора, состоящего из водного раствора смолы, водного раствора отвердителя и добавки НПШ.

Второй этап исследований включал в себя проведение испытаний с целью определения следующих характеристик полученных плит: предел прочности при изгибе, предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти плиты, водопоглощение, разбухание по толщине. Полученные на втором этапе результаты использовались для анализа тех изменений физико-механических свойств трехслойных древесно-стружечных плит, которые обусловлены  влиянием добавки НПШ в клеевой раствор на основе карбамидоформальдегидной смолы.

Для изготовления опытных образцов плит использовалась стружка, приготовленная на стружечном станке из древесины хвойных пород (ель, сосна) и осины. Породный состав: массовая доля осиновой стружки - 30 %, хвойной - 70 %. Пористость стружечной смеси 80 %, плотность 309 кг/м³. Фракционный состав стружечной смеси приведен в таблице 1.

Нанопорошок шунгита для исследований был предоставлен лабораторией физико-химических исследований наноуглеродных материалов Института геологии КарНЦ РАН. Состав добавки по данным упомянутой лаборатории в массовых долях: С от 28,00 до 31,00 %, SiO₂ от 56,00 до 60,00 %, Al₂O₃ от 4,30 до 5,50 %, Fe₂O₃ от 2,00 до 6,00 %, K₂O от 1,30 до 1,50 %, MgO от 0,90 до 1,40 %, TiO₂ не более 0,45 %, Na₂O не более 0,40 %, CaO около 0,10 %. НПШ представлял собой порошок, состоящий из частиц размером 50...100 нм и удельной поверхностью 120 м²/г [4].

Таблица 1 Фракционный состав стружечной смеси для опытных трёхслойных ДСтП

Расчетная плотность наружного слоя плит 850 кг/м³, доля наружных слоев (по массе) 40 %, содержание абсолютно сухой смолы в наружных слоях 14 %. Расчетная плотность внутреннего слоя плит 700 кг/м³, доля внутреннего слоя (по массе) 60 %, содержание абсолютно сухой смолы во внутреннем слое - 10 % от массы абсолютно сухой древесины. Клеевой раствор для наружного и внутреннего слоёв содержал: 66-процентный водный раствор смолы КФ-НФП и 20-процентный водный раствор NH₄Cl в количестве 1 % от массы раствора смолы. НПШ в количестве 10 % от массы абсолютно сухой смолы КФ-НФП вводили в водный раствор смол, после чего добавляли раствор отвердителя. Для приготовления наружного и внутреннего слоёв плит использовался клеевой раствор одного и того же состава.

Осмоление стружки наружных и внутренних слоев проводили в лабораторном смесителе. Пакеты для изготовления плит формировали вручную. Перед прессованием в горячем прессе проводилась холодная подпрессовка пакетов. Горячее прессование проводили при температуре 190 ^о С, давлении 2,5 МПа, удельном времени 0,35 мин/мм. Выдержка пакета в прессе после смыкания плит составляла 2 мин. После извлечения готовой плиты из пресса она подвергалась кондиционированию. В ходе первого этапа исследований были изготовлены трехслойные древесно-стружечные плиты толщиной 15,6 мм, размером 280X280 мм.

Из полученных таким образом плит изготавливались образцы для экспериментального исследования их физико-механических свойств. Образцы для определения одного и того же показателя выпиливались из разных частей плит. Пласти и кромки образцов были взаимно перпендикулярны, кромки - попарно параллельны. Различие образцов как по длине, так и по ширине не превышало 0,5 мм. Различие по толщине не превышали 0,2 мм. Образцы на наружных поверхностях не имели неровностей. Отсутствовали сколы у кромок и выкрашивания углов. Образцы перед испытанием кондиционировались в течение 24 часов при температуре 20 ± 2 °С и относительной влажности воздуха 65 ± 5 %. Для измерения образцов использовались: штангенциркуль, с погрешностью измерения 0,1 мм, и линейка, с погрешностью измерения 1 мм.

Предел прочности при изгибе определялся с использованием образцов размером 240X50 мм. Образец устанавливали на опоры в виде стальных цилиндров радиусом 15 мм, расстояние между осями которых составляло 200 мм. Через такой же цилиндр в середине пролёта передавалась вертикальная нагрузка. Продольная ось образца была перпендикулярна осям опорных цилиндров и оси нагружающего цилиндра. Нагрузка на образец увеличивалась с постоянной скоростью до разрушения. Время от начала испытаний до разрушения составляло 60 ± 20 с. Максимальная нагрузка определялась по стрелочному индикатору с точностью 1 %. Значение предела прочности при изгибе вычислялось по формуле , где F - сила, действующая на образец в момент разрушения, Н; l - расстояние между опорами испытательного устройства, мм; b - ширина образца, мм; h - толщина образца, мм. Результат округлялся до первого десятичного знака.

Предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти плиты определялся с использованием образцов размером 50 X 50 мм. К пластям образца с помощью клея-расплава приклеивались специальные колодки. Полученный испытательный блок устанавливался в захваты испытательной машины, после чего расстояние между ними увеличивали с постоянной скоростью 10 ± 1 мм/мин до разрушения образца. Максимальная нагрузка фиксировалась по стрелочному индикатору с точность 1 %. Значение предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти плиты (σ_⊥) высчитывалось по формуле , где F - сила нагружения, действующая на образец в момент разрушения, Н; l - длина образца, мм; b - ширина образца, мм. Результат округлялся с точностью до второго десятичного знака.

Разбухание в воде по толщине и водопоглощение определялись на образцах, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда толщиной 15,6 мм и размером 100 X 100 мм. Толщина каждого образца измерялась в четырёх точках, каждая из которых была удалена от ближайших двух кромок на 25 мм. За толщину образца принимали среднее арифметическое значение результатов четырёх измерений. Образцы взвешивались с погрешностью 0,1 %. Далее образцы погружались в сосуд с водой, имеющей температуру 20 ± 1° С. Специальное приспособление позволяло удерживать образцы в вертикальном положении ниже уровня поверхности воды на 20 ± 2 мм. При этом они не соприкасались друг с другом. Время выдержки образцов в воде составляло 24 ± 0,25 часа. После выдержки образцы извлекались из воды, их поверхность осушалась от капель и воды. Не позднее чем через 10 минут после извлечения из воды образцы взвешивались с погрешностью 0,1 % и измерялись по толщине штангенциркулем. Толщина измерялась с той же точностью и в тех же четырёх точках, что и до погружения в воду. За толщину образца, как и вначале опыта, принимали среднее арифметическое значение результатов четырёх измерений. Водопоглощение образца ( ) в процентах вычисляли по формуле %, где  - масса образца до погружения в воду, г;  - масса образца после извлечения из воды, г. Разбухание в воде по толщине образца ( ) в процентах вычисляли по формуле %, где  - толщина образца до погружения в воду, мм;  - толщина образца после извлечения из воды, мм. За результат испытания плиты принималось среднее арифметическое значение испытаний всех образцов.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам исследования установлено, что предел прочности при изгибе трёхслойных ДСтП, изготовленных с использованием клеевого раствора на базе смолы КФ-НФП с добавкой НПШ в количестве 10 % от массы абсолютно сухой смолы, на 20,1 % превышает значение упомянутого показателя контрольного образца (см. таб. 3). Данный результат хорошо согласуется с приведённым ранее (18 %) в работе [2]. Следует отметить, что значения предела прочности при изгибе трёхслойных ДСтП, полученных с использование смолы КФС-15, были выше, чем в проведённом нами эксперименте (см. [2]). Полученное расхождение можно объяснить изменением характера взаимодействия НПШ с карбамидоформальдегидной смолой в зависимости от её марки.

Предел прочности при растяжении трёхслойных ДСтП перпендикулярно пласти (s_^), изготовленных с использованием клеевого раствора, модифицированного НПШ, на 7,5 % превышает значение упомянутого показателя контрольного образца таблица 2. В то же время этот показатель на 4,5 % ниже, чем у трёхслойных плит, полученных с использование смолы КФС-15 [2].

Таблица 2  Результаты испытаний: предел прочности при изгибе и растяжении

Разбухание в воде по толщине ( ) образцов, изготовленных с использованием клеевого раствора на базе смолы КФ-НФП, модифицированного НПШ, на 14,2 % меньше, чем у образцов, изготовленных без добавления НПШ, таблица 3. Исследования, проведённые с использованием смолы КФС-15, значимых различий не выявили [2].

Водопоглощение образцов ( ), изготовленных с использованием клеевого раствора на базе смолы КФ-НФП добавкой НПШ, на 10,6 % меньше, чем у образцов, изготовленных без добавления НПШ, таблица 3. Образцы, изготовленные с использованием смолы КФС-15, показали значительное различие (20,1) и более высокий абсолютный результат (см. [2]).

Таблица 3 Результаты испытаний на разбухание и водопоглощение

Сопоставление результатов испытания трёхслойных ДСтП с однослойными  показывает, что однослойные обладают более высокими показателями по всем исследованным параметрам (см. [3]). Видимо, это объясняется различием структур: однослойные плиты можно считать квазигомогенной структурой, в то время как трёхслойные являются чётко выраженной гетерогенной структурой.

Выводы

1. Добавление в клеевой раствор на основе смолы КФ-НФП нанопорошка шунгита повышает прочность трёхслойных ДСтП при статическом изгибе, при растяжении перпендикулярно пласти, уменьшает разбухание плит по толщине, снижает водопоглощение.
2. Влияние добавки НПШ на физико-механические показатели древесно-стружечных плит зависит от марки смолы, используемой для изготовления клеевого раствора.

Рецензенты:

• Сюнёв В. С., д.т.н., профессор,  Петрозаводский государственный университет,  г. Петрозаводск.    
• Шегельман И. Р., д.т.н., профессор, Карельский научно-исследовательский институт лесной промышленности, г. Петрозаводск.