Разработка режима гидродинамической активации древесных частиц с целью получения плит без связующих веществ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 674.817-41

Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 3-4. С. 79-83

РАЗРАБОТКА РЕЖИМА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛИТ БЕЗ СВЯЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ*

В. Н. Ермолин, С. Н. Казицин, М. А. Баяндин, А. В. Намятов

2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

В процессе механической обработки древесины наиболее объемным видом отходов являются древесные опилки использование, которых крайне ограничены. Возможным путем решения, данной проблемы является их использование, для получения плитных материалов без использования связующих веществ. В работе выдвинуто предположение, что для получения плит из опилок без использования связующих веществ с высокими физико-механическими характеристиками необходимо повысить площадь межфазных поверхностей за счет высокой степени фибрилляции. Для этих целей предложено использовать гидродинамический диспергатор роторно-пульсационного типа. Предлагаемая технология подготовки древесины позволяет получить степень помола древесной массы 65 0ШР, что указывает на высокую степень фибрилляции частиц.

Для доказательства предположения проведены экспериментальные исследования, в результате которых были получены уравнения регрессии, описывающие зависимости физико-механических свойств плит без связующих веществ из механоактивированных древесных частиц от режимных параметров гидродинамической обработки. Установлено, что наиболее существенное влияние на прочностные свойства и водостойкость плит, оказывает степень помола древесной массы. Концентрация древесной массы при гидродинамической обработке оказывает не значительное влияние на указанные параметры плит в исследуемом диапазоне. Проведенная многокритериальная оптимизация позволила определить оптимальные параметры гидродинамической обработки: концентрация опилок - 6,4 %, степень помола - 65 °ШР. Плиты без связующих веществ, полученные при оптимальных условиях технологического процесса обработки, показали следующие результаты: предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты - 0,72 МПа; предел прочности при изгибе - 16,1 МПа; разбухание по толщине за 24 ч - 10,3 %.

Ключевые слова: древесные плиты, аутогезия, гидродинамическая обработка, опилки, древесные отходы, прочность.

Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 3-4, P. 79-83

DEVELOPING THE MODE FOR HYDRO DYNAMIC ACTIVATION OF WOOD PARTICLES FOR ADHESIVE-FREE PANELS PRODUCTION

V. N. Ermolin, S. N. Kazitsin, M. A. Bayandin, A. V. Namyatov

2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The process of mechanical treatment of wood generates large volumes of sawdust as a waste with extremely limited application. A possible way to solve this problem is to use them in manufacturing wood-based panels without using adhesive materials. This paper puts forward an assumption that to manufacture sawdust plates without using adhesive materials but providing for their high physical and mechanical properties it is required to increase the phase-contacting area by means of high degree of fibrillation. For the purposes above it is proposed to use hydrodynamic disperser of a rotary pulsation type. The proposed technology of wood treatment allows obtaining the wood pulp freeness of 65°SR, which indicates a high degree ofparticles fibrillation.

Experimental tests have been completed to prove the assumption. These resulted in obtaining regression equations that describe the relation of the physical and mechanical properties of adhesive-free plates made of mechanically activated wood particles to mode parameters of hydrodynamic treatment. The freeness of the wood pulp was found to have the most sufficient impact on the plates' strength properties and water permeability. During the hydrodynamic

* Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 17-48-240553.

Ермолин В. Н., Казицин С. Н., Баяндин М. А., Намятов А. В. Разработка режима гидродинамической активации ...

treatment, the concentration of wood pulp has no significant impact on specified parameters within the range under study. The completed multi-criteria optimization allowed defining the optimal parameters for hydrodynamic treatment: sawdust concentration is 6.4 % with the freeness degree of 65 °SR. The adhesive-free plates obtained under optimal conditions of the treatment technological process showed the following results: tensile strength perpendicular to the plate is 0.72 MPa; bending strength is 16.1 MPa; thickness swelling during 24 hours is 10.3%.

Keywords: wood-based panels, autoadhesion, hydrodynamic treatment, sawdust, wood waste, strength.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время комплексное использование сырья является очень важной задачей, стоящей перед деревообрабатывающими предприятиями. Мягкие отходы в виде опилок используются в крайне ограниченном количестве в существующих технологиях переработки древесины. Так вовлечение опилок в состав композиции древесных плит на основе адгезивов из синтетических термореактивных полимеров, приводит к снижению физико-механических свойств данных плит и повышению расхода клея. Это обуславливает существенное увеличение стоимости и токсичность готовых плит [1-4]. Известные технологии получения плит без связующих веществ пьезотермопла-стики (ПТП) и лигноуглеводные древесные пластики (ЛУДП), основным сырьем которых являются древесные отходы, не нашли широкого распространения ввиду особенностей их свойств и режимных параметров изготовления [5]. Поэтому разработка технологий производства плит, которые позволят использовать неликвидные мягкие отходы деревообработки, являются актуальной.

Как известно [9] древесина представляет собой композиционный материал, состоящий из микрофибрилл, находящихся в аморфной лигно-гемицеллюлозной матрице. Углеводы (целлюлоза и гемицеллюлоза) в матрице соединены за счет водородных связей и сил физического взаимодействия, а углеводы с лигнином валентными (сложноэфирны-ми) связями. Эти компоненты древесинного вещества имеют различное строение и соответственно различные физико-механические свойства. При разрушении древесины, вследствие неоднородности, происходит ее фибрилляция, которая проявляется в частичном отделении целлюлозных фибрилл от поверхности древесных частиц. Фибрилляция позволяет получить новые доступные межфазные поверхности с активными функциональными группами. Если разрушение проводить в водной среде, то вскрытые на поверхности древесных частиц гидроксильные и другие полярные группы вступят во взаимодействие с полярными молекулами воды. При удалении воды гидроксилы связывают макромолекулы древесных частиц между собой, что дает возможность получить новые материалы.

Авторы работ [10; 11] утверждают, что для получения древесной массы с высокой степенью обработки и минимальным укорочением необходимо использовать безножевой размольный аппарат роторно-пульсационного типа.

Из данных приведенных выше можно выдвинуть предположение, что для получения плит из опилок без использования связующих веществ с высокими физико-механическими свойствами необходимо по-

высить площадь межфазных поверхностей древесных частиц за счет высокой степени фибрилляции путем гидродинамической обработки.

В технологии получения плитных материалов без связующих веществ из механоактивированных древесных опилок положена активация древесных частиц гидродинамической обработкой [6-8]. Ранее [7] было установлено, что при увеличении степени помола древесной массы происходит измельчение древесных частиц с одновременным их фибриллированием, но не определено влияние режимных параметров гидродинамической обработки древесных опилок на физико-механическими свойствами получаемых плит. Поэтому в данной работе проведено исследование влияния режимных параметров гидродинамической обработки опилок на физико-механические свойства получаемых плит без связующих веществ.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения исследований в работе использовались опилки древесины хвойных пород, которые отбирались при распиловке круглых лесоматериалов на бревнопильном оборудовании рамного типа. Предварительно проведенный качественный анализ показал, что отобранная партия опилок имела абсолютная влажность от 50 до 80 % и содержала коры в количестве 3 % от их общего объема. Затем, осуществлялась сортировка древесных частиц, на выходе из сит максимальный размер частиц составлял не более 10 мм, что обусловлено технической возможностью экспериментальной установки. Для активации древесных частиц был принят аппарат марки РГГД-1 (рис. 1), который обеспечивает диспергирование обрабатываемого материала в водной среде. Основными элементами установки являются ротор и статор.

Опилки с предварительно определенным показателем влажности и просеянные через сито с размером ячеек 10 мм смешивались с водой температурой от 5 до 10 °С в баке диспергатора (рис. 1). Выбор концентрации опилок в воде осуществлялся согласно плану эксперимента. Расчет концентрации с, %, проводили по формуле

с .100 %, (1)

т

где т1 - масса опилок в сухом состоянии, г; т - общая масса суспензии, г.

После смешивания опилок с водой установка включалась и осуществлялась многократная обработка массы, прохождением через рабочую камеру установки (ротор и статор). Степень помола массы определяли по Шоппер-Риглеру на приборе СР-2 [12].

Постоянные факторы эксперимента: порода древесины - сосна; частота вращения ротора 2950 об/мин; абсолютная влажность прессмассы перед прессованием 200 %; температура прессования 190 °С; удельная продолжительность цикла прессования 2 мин/мм; прессование проводилось в две фазы (отжим/сушка) с давлением прессования - 4,8/1 МПа; толщина плит -4 мм; плотность готовых плит 800 кг/м3; продолжительность технологической выдержки - 24 ч.

Как известно [12], размалывающий аппарат может работать наиболее экономично только при концентрации массы, на которую он рассчитан. Технические характеристики установки позволяют обрабатывать древесную массу с концентрацией до 10 %, так как превышение данного значения приводит к резкому росту температуры массы и остановке обработки. По этой причине была принята максимальная концентрация 8 %. В качестве минимальной концентрации массы принято 4 %, так как дальнейшее снижение концентрации экономически не целесообразно. Максимальная степень помола была принята 65 0ШР, так как дальнейшая обработка приводит к минимальному приросту степени помола. Минимальное значение степени помола 23 0ШР. Начиная с данного значения степени помола возможно образование структуры плит без связующих веществ из механоактивирован-ных опилок, но при этом плиты обладают наименьшими физико-механическими свойствами.

Значения уровней варьирования и шаг варьирования факторов представлены в таблице.

Исследования проводились согласно В3 - плану. Изменение физико-механических свойств плит без связующих веществ, изготовленных из активированных сосновых опилок, определяли по показателям: пределу прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты сраст., МПа; предел прочности при изгибе сизг, МПа; разбухание по толщине за 24 ч, V, %. Методика эксперимента и обработка результатов проводилась согласно [13; 14].

По результатам исследований и обработки экспериментальных данных были получены следующие уравнения регрессии:

Зависимость предела прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты ораст = -0,252619 + 0,0753571*с + + 0,0165873*0ШР - 0,00142857* с *0ШР. (1)

Зависимость предела прочности при изгибе сизг = 22,5505 - 2,17881* с -

- 0,110794*0ШР + 0,0369048* с *°ШР. (2) Зависимость разбухания по толщине

V = 103,787 - 23,3083* с -

- 0,310317*0ШР + 1,82083* с Л2. (3) В соответствии с полученными уравнениями для

каждой выходной величины были построены зависимости в виде поверхностей отклика, которые представлены на рис. 2.

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки:

1 - бак; 2 - запорная арматура (задвижка); 3 - корпус рабочей камеры установки; 4 - сливной шаровой кран; 5 -труба циркуляционная; 6 - шаровой кран; 7 - электродвигатель; 8 - рама; 9 - щит управления

Таблица 1

Основные факторы и уровни их варьирования

Кодовое обозначение Уровни варьирования

Наименование фактора нижний уровень основной уровень верхний уровень интервал варьирования

Концентрация опилок, с, % Х1 4 6 8 2

Степень помола, 0ШР Х2 23 44 65 21

Ермолин В. Н., Казицин С. Н., Баяндин М. А., Намятов А. В. Разработка режима гидродинамической активации

а б

в

Рис. 2. Зависимости влияния степени помола и концентрации опилок: а - предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти; б - предел прочности при изгибе; в - разбухание по толщине

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования физико-механических свойств древесных плит показали, что с увеличением степени помола опилок происходит увеличение предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти (рис. 2, а) и предела прочности при статическом изгибе (рис. 2, б).

Максимальной прочностью обладают плиты, изготовленные из древесной массы с максимальной степень помола равной 65 °ШР. Плиты, полученные из древесных частиц со степенями помола 23 °ШР и 44 °ШР, характеризуются более чем в 1,8 и 1,4 раза соответственно меньшей прочностью при растяжении перпендикулярно к пласти плиты и в 1,4 и 1,3 раза соответственно меньшей прочностью при изгибе. Обратная зависимость наблюдается для показателя разбухания по толщине: с увеличением степени помола разбухание по толщине снижается. Минимальное разбухание 9,03 % достигается при максимальной степени помола, по нашему мнению, вследствие увеличившегося числа межволоконных физико-химических связей с высокой энергией взаимодействия. Подтверждением этого является то, что образцы из массы со степенью помола 65 °ШР, прошедшие испытания на разбухание по толщине, после высушивания возвращали первоначальные линейные размеры и сохраняли до 1°° % прочности.

Концентрация опилок в процессе гидродинамической обработки в меньшей степени влияет на физико-механические свойства, чем степень помола. При концентрации опилок близкой к основному уровню варьирования достигаются наилучшие физико-механические свойства плит без связующих.

Вышеизложенные экспериментальные данные указывают, что наилучшие физико-механические свойст-

ва плит достигаются при максимальной степени помола древесных частиц.

Это можно объяснить тем, что при гидродинамической обработке опилок происходит увеличение межфазных поверхностей с активными центрами в древесной массе. Наличие данных активных поверхностей дает возможность аутогезионного взаимодействия с высокой энергией связи между древесными частицами при получении плит без связующих. Данные выводы подтверждаются высокой прочностью плит при растяжении перпендикулярно пласти.

Для определения оптимального режима гидродинамической обработки была проведена поликритериальная оптимизация при помощи универсального математического процессора МаШСАБ. В результате были определены оптимальные натуральные значения варьируемых переменных:

- концентрация опилок с = 6,4 %;

- степень помола = 65 °ШР.

Плиты без связующих веществ, полученные при оптимальных условиях технологического процесса гидродинамической обработки, имели следующие физико-механические свойства:

- предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты сраст = 0,72 МПа;

- предел прочности при изгибе сизг = 16,1 МПа;

- разбухание по толщине за 24 ч V = 10,3 %.

ВЫВОДЫ

Исследованные параметры гидродинамической обработки опилок оказывают влияние на структуро-образование плит без связующих веществ.

Изменения степени помола древесной массы в большей степени оказывает влияние на прочностные свойства плит, а также их водостойкость. Концентрация

опилок при гидродинамической обработке опилок в меньшей степени оказывает влияния на физико-механические свойства плит.

Было установлено, что плиты, полученные при оптимальных значениях технологических параметров гидродинамической обработки: концентрации опилок 6,4 % и степень помола 65 °ШР имели следующие физико-механические свойства: предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты -°,72 МПа, предел прочности при изгибе - 16,1 МПа, разбухание по толщине за 24 ч - 10,3 %.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Молдин Б. Д., Отлев И. А. Производство древесностружечных плит. М. : Высш. шк., 1977. 199 с.

2. Пучков Б. В. Измельчение древесных отходов для производства древесных плит // Деревообрабатывающая промышленность. 1990. № 10. С. 33-35.

3. Ребрин С. П., Мерсов Е. Д., Евдокимов В. Г. Технология древесноволокнистых плит. М. : Лесн. пром-ть, 1982. 272 с.

4. Солечник Н. Я., Новосельская А. И., Бровкина

B. И. Использование опилок для производства дре-весно-волокнистых плит // Деревообрабатывающая промышленность. 1964. № 2. С. 15.

5. Мельникова Л. В. Технология композиционных материалов из древесины. М. : МГУЛ, 2004. 234 с.

6. Баяндин М. А., Ермолин В. Н., Елисеев С. Г. Влияние механоактивации на аутогезионные свойства древесины // Хвойные бореальные зоны: Теоретический и научно-практический журнал / СибГТУ. Красноярск, 2013. Т. 31, № 1-2. С. 159-163.

7. Влияние мелкодисперсных фракций на формирование свойств древесных плит без связующего / М. А. Баяндин, В. Н. Ермолин, С. Н. Казицин и др. // Хвойные бореальные зоны. 2015. Т. 33, № 3-4.

C. 182-185.

8. Казицин С. Н., Баяндин М. А., Ермолин В. Н. Влияние способов подготовки древесной массы на свойства плитных материалов // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения / СибГТУ. Красноярск, 2014. С. 81-84.

9. Эриньш П. П. Строение и свойства древесины как многокомпонентной полимерной системы // Химия древесины. 1977. № 1. С. 8-25.

10. Кутовая Л. В. Комплексный параметр процесса обработки волокнистых суспензий безножевым способом в установке типа «струя-преграда» : дис. ... канд. техн. наук: 05.21.03. Красноярск, 1998.

11. Легоцкий С. С., Гончаров В. Н. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы. М. : Лесная пром-сть, 1990. 224 с.

12. Иванов С. Н. Технология бумаги. 2-е изд., пе-рераб. М. : Лесная пром-ть, 1970. С. 696.

13. Пен Р. З., Пен В. Р. Статистические методы моделирования и оптимизации технологических процессов. Красноярск, 2016. 285 с.

14. Пижурин А. А., Пижурин А. А. Основы научных исследований в деревообработке : учебник для вузов. М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. 305 с.

REFERENCES

1. Moldin B. D., Otlev I. A. Proizvodstvo drevesno-struzhechnykh plit. M. : Vyssh. shk., 1977. 199 s.

2. Puchkov B. V. Izmel'cheniye drevesnykh otkho-dov dlya proizvodstva drevesnykh plit // Derevoobra-batyvayushchaya promyshlennost'. 1990. № 10. S. 33-35.

3. Rebrin S. P., Mersov E. D., Evdokimov V. G. Tekhnologiya drevesnovoloknistykh plit. M. : Lesn. prom-t', 1982. 272 s.

4. Solechnik N. Ya., Novosel'skaya A. I., Brovkina V. I. Ispol'zovaniye opilok dlya proizvodstva drevesno-voloknistykh plit // Derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost'. 1964. № 2. S. 15.

5. Mel'nikova L. V. Tekhnologiya kompozitsionnykh materialov iz drevesiny. M. : MGUL, 2004. 234 s.

6. Bayandin M. A., Ermolin V. N., Eliseyev S. G. Vliyaniye mekhanoaktivatsii na autogezionnyye svoystva drevesiny // Khvoynyye boreal'nyye zony: Teoreticheskiy i nauchno-prakticheskiy zhurnal / SibGTU. Krasnoyarsk, 2013. T. 31, № 1-2. S. 159-163.

7. Vliyaniye melkodispersnykh fraktsiy na formiro-vaniye svoystv drevesnykh plit bez svyazuyushchego / M. A. Bayandin, V. N. Ermolin, S. N. Kazitsin i dr. // Khvoynyye boreal'nyye zony. 2015. T. 33, № 3-4. S. 182-185.

8. Kazitsin S. N., Bayandin M. A., Ermolin V. N. Vliyaniye sposobov podgotovki drevesnoy massy na svoystva plitnykh materialov // Lesnoy i khimicheskiy kompleksy - problemy i resheniya / SibGTU. Krasnoyarsk, 2014. S. 81-84.

9. Erin'sh P. P. Stroyeniye i svoystva drevesiny kak mnogokomponentnoy polimernoy sistemy // Khimiya drevesiny. 1977. № 1. S. 8-25.

10. Kutovaya L. V. Kompleksnyy parametr protsessa obrabotki voloknistykh suspenziy beznozhevym sposo-bom v ustanovke tipa "struya-pregrada" : dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.21.03. Krasnoyarsk, 1998.

11. Legotskiy S. S., Goncharov V. N. Razmalyva-yushcheye oborudovaniye i podgotovka bumazhnoy massy. M. : Lesnaya prom-st', 1990. 224 s.

12. Ivanov S. N. Tekhnologiya bumagi. 2-e izd., pererab. M. : Lesnaya prom-t', 1970. S. 696.

13. Pen R. Z., Pen V. R. Ctatisticheskiye metody modelirovaniya i optimizatsii tekhnologicheskikh protses-sov. Krasnoyarsk, 2016. 285 s.

14. Pizhurin A. A., Pizhurin A. A. Osnovy nauchnykh issledovaniy v derevoobrabotke : uchebnik dlya vuzov. M. : GOU VPO MGUL, 2005. 305 s.

© Ермолин В. Н., Казицин С. Н., Баяндин М. А., Намятов А. В., 2017

Поступила в редакцию 15.06.2017 Принята к печати 20.11.2017