CC BY
45
УДК 674.817.41
ВЛИЯНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ФРАКЦИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ БЕЗ СВЯЗУЮЩЕГО
М.А. Баяндин, В.Н. Ермолин, С.Н. Казицин, С.Г. Елисеев
ФГБОУ ПО Сибирский государственный технологический университет, Красноярск, Россия
660049, Красноярск, пр.Мира, 82 E-mail: [email protected]
В работе приведены теоретические и экспериментальные исследования зависимости свойств древесных плит без связующих от содержания мелких частиц в древесной массе, получаемой путем гидродинамической обработки опилок. Установлено, что при данном способе обработки возможно образование более мелких частиц, чем при механическом размоле. Это позволяет обеспечивать высокое аутогезионное взаимодействие в древесной массе при прессовании плит. Физико-механические свойства древесных плит получаемых из обработанных в гидродинамическом диспергаторе опилок без использования адгезивов зависят от наличия в древесной массе мелкодисперсных фракций размером порядка 1 мкм. Массовая доля таких частиц составляет менее 1 %, но при этом они обеспечивают до 80 % физико-механических свойств плит.
Ключевые слова: древесные плиты, фракция, частицы, аутогезия, гидродинамическая обработка, опилки, кавитация, связующее, прочность, измельчение.
One of the reasons for restraining of the growth rate of wooden boards production is limited availability of raw conditioned materials and its toxicity. In this paper we propose a solution of these problems by introduction of the underutilized waste 'sawdust' into the boards technology. The analysis done in the paper indicates that the use of sawdust reduces the mechanical characteristics of the boards, and the exclusion of binding agents doesn't let to obtain the desired water resistance of the material. Among the existing technologies of the boards production from the sawdust the article shows the technology of wood waste (sawdust) processing in the hydrodynamic dispersant with cavitation effect. This technology allows obtaining of the press mass from which it is possible to produce board materials with high physical - mechanical and ecological figures by hot pressing without binding agent adding. To explain the mechanism of formation of the final board structure from the sawdust there has been suggested that activation of the hydrodynamic method makes it possible to form the particles smaller than in the fibre board production technology, which can provide the high autoadhesive interaction in the pulp. To check this hypothesis and to optimize the process of obtaining of board material from the activated sawdust in the dispersant special studies has been conducted. The effects of fractional composition on tensile strength perpendicular to the face and boards swelling in thickness for 24 hours have been studied. There also has been defined the size of fine-dispersated particles in the wood pulp.
There has been found out that the hydrodynamic processing produces smaller particles than mechanical grinding with the size smaller than the thickness of the cell wall. This allows to provide high autoadhesive interaction while boards pressing. The fine fraction providing the autoadhesive interaction during boards pressing in dependence on the average particle size constitutes 1.06 microns - 0,58% 0,75mkm - 0.29%. This fraction increases the physical and mechanical properties of board materials: the tensile strength perpendicular to the face is 4.5 times increased and constitutes 0.84 MPa, the swelling is 4 times decreased up to 8.14%. Mass fraction of particles is less than 1%, but they provide up to 80% of physical and mechanical properties of the boards.
Keywords: wood boards, fraction, particle autohesion, hydrodynamic treatment, sawdust, cavitation, binder, strength, refinement.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наиболее перспективным и экологически чистым листовым материалом, считаются древесноволокнистые плиты. Это обусловлено возможностью получения материала за счет физико-химического взаимодействия между волокнами. Поэтому для этого требуется минимальное содержание синтетического или природного связующего (Pizzi, 2006; Rowell, 2005). В России большинство предприятий выпускает древесноволокнистые плиты из хвойной древесины с добавлением до 2 % КФ смол (Леонович, 2003). Уменьшение количества смол снижает их водостойкость (Аккерман, 1976). Увеличение объемов производства древесноволокнистых плит сдерживается отсутствием требуемого количества кондиционного сырья. Решение указанной проблемы возможно путем вовлечения в технологии плит мало-используемых отходов лесопиления и деревообработ-
ки - опилок. Но проведенные исследования (Дроздов, 1979; Солечник, 1963) указывают на то, что их применение приводит к снижению механических характеристик плит, а исключение связующих не позволяет получать требуемую водостойкость материала.
Известны технологии (Кац, 2000; Щипко, 2010) получения плит из опилок, предварительно подвергнутых химическим, механическим и биологическим воздействиям. При этом во всех выше указанных способах подготовки древесины не удавалось получить плитный материал плотностью менее 1000 кг/ м3. Это ограничивает их применение и увеличивает расход сырья. Результаты проведенных ранее нами исследований указывают на то, что обработка опилок хвойных пород в гидродинамическом диспергаторе с эффектом кавитации, позволяет получить плиты плотностью от 650 кг/м3 без использования адгези-вов. При этом величина разбухания по толщине не
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015
превышает 8,4 %. Следует подчеркнуть, что данные плиты сохраняют до 50 % от исходной прочности после вымачивания в воде в течении 24 часов (Ба-яндин, Ермолин и др. 2013). Полученные результаты позволяют говорить о том, что такой вид обработки древесины обуславливает иной механизм взаимодействия между древесными частицами в процессе структурообразования плит.
Древесина представляет собой комплекс полимеров, при физико-механическом воздействии на который повышается их реакционная способность, за счет нарушения структурной целостности (Азаров, Буров и др., 1999; Эриньш, 1977). По мнению авторов (Микушина, 2002) механическое воздействие при размоле на дефибраторах или рафинерах позволяет получить древесные частицы, на поверхности которых содержится лигнин, с активными реакционными группами. Соответственно с уменьшением размеров частиц площадь их поверхности существенно возрастает и как следствие количество активных реакционных центров (Фенгел, Венгер, 1988).
В ряде работ отмечается (Леонович, 2003; Петри, 1972), что физико-механические свойства плитных материалов существенно зависят от фракционного состава исходной древесной массы. По мнению авторов работ (Зырянов, 2012), связующим между волокнами длиной до 4 мм и толщиной от 20 мкм являются активные мелкодисперсные фракции толщиной до 3 мкм.
Одним из критериев оценивающим величину ау-тогезионного взаимодействия между волокнами в древесноволокнистых плитах является величина их разбухания при вымачивании в воде. Для обеспечения водостойкости оргалита вводят гидрофобизиру-ющие добавки или синтетическое связующее. В противном случае плиты при вымачивании полностью утрачивают прочность. Но как уже было отмечено гидродинамическая обработка опилок, позволяет получать плиты высокой водостойкости без использования дополнительных компонентов. Можно предположить, что при гидродинамическом способе активации возможно образование более мелких частиц, чем в технологии производства древесноволокнистых плит, которые могут обеспечивать высокое аутогезионное взаимодействие в древесной массе.
Для проверки выдвинутой гипотезы и оптимизации процесса получения плитного материала из активированных в диспергаторе опилок проведены специальные исследования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
В исследованиях использовались опилки древесины сосны, полученные на ленточнопильном станке. Обработка в гидродинамическом диспергаторе проводилась в водной среде с гидромодулем 1:10. Согласно разработанной ранее методике (Баяндин, Ермолин и др., 2013) кратность обработки древесной массы принята равной 40. Обработанная масса делилась на
две части. Первая партия для удаления из неё мелкодисперсных компонентов после предварительного механического отжима промывалась путем разбавления в дистиллированной воде в соотношении 1:25 с активным перемешиванием с последующим осаждением на сетке размером ячеек 0,1 мм. Вторая часть осаждалась без промывки. После этого из партий изготавливались плиты. Горячее прессование плит с заданной плотностью 800 кг/м3 осуществлялось в одноэтажном лабораторном прессе, при температуре 190 0С и удельном давлении 1,9 МПа. Удельная продолжительность прессования принята 1,5 мин/мм.
После прессования плиты выдерживались в условиях лаборатории в течение 72 часов и затем подвергались физико-механическим испытаниям. Критериями, оценивающими величину аутогезионного взаимодействия между древесными частицами, приняты: прочность при растяжении перпендикулярно пласти и величина разбухание плит по толщине за 24 часа. В качестве плит, исключающих наличие мелкой фракции, параллельно были изготовлены плиты из опилок, не подвергавшиеся обработке.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты физико-механических испытаний плит представлены на рисунке 1 и 2, а так же в таблицах 1 и 2.
древесные частицы древесные частицы после обработки после обработки (промытые)
Рисунок 1 - Прочность плит при растяжении перпендикулярно пласти
Результаты исследований (рисунок 1, таблица 1) указывают на то, что максимальной прочностью обладают плиты из обработанной в диспергаторе древесины - 0,84 МПа. Удаление мелкодисперсных частиц за счет промывки приводит к уменьшению данного параметра более чем в 4,5 раза с 0,84 до 0,17 МПа. Это указывает на то, что порядка 80 % механической прочности плит обеспечивают мелкодисперсные частицы. Плиты, полученные из опилок, имели минимальную прочность 0,1 МПа.
Результаты исследований, представленные на рисунке 2 и в таблице 2, показывают, что удаление мелкодисперсных частиц из древесной массы, приводит к повышению величины разбухания плит по толщине более чем в 4 раза с 8,14 до 33,12 %. Это в свою очередь указывает на то, что гидродинамическая обработка опилок, позволяет получить древесную массу, содержащую мелкие частицы, при прессовании плит образующие связи, которые не могут разорвать моле-
кулы воды. Об этом так же говорит тот факт, что после вымачивания плиты, изготовленные из древесной массы, полученной в диспергаторе, сохраняли до 50 % остаточной прочности. Плиты, из опилок, после выдержки в воде полностью разрушались (примерное разбухание 65,97 %). В целом полученные результаты подтверждают выдвинутое нами предположение, что высокое аутогезионное взаимодействие в процессе прессования плит из древесной массы, подготовленной гидродинамическим способом, во многом обусловлено наличием мелкой фракции.
Таблица 1 - Статистические характеристики прочности плит при растяжении перпендикулярно пласти
Материал для изготовления плит
Статистический показатель
а ю 3 о
е
й
8 ¡3 ё , я 8 а
и
а!
И и I Й ^^^ , ^ Р Н , Я ^
Количество измерений 30 30 30
Среднее значение, МПа 0,84 0,17 0,10
Дисперсия 0,000 0,001 0,001
Стандартное отклонение 0,019 0,026 0,02
Коэффициент вариации, % 22 15,37 24,54
Стандартная ошибка 0,003 0,005 0,004
Минимальное значение, МПа 0,81 0,11 0,06
Максимальное значение, МПа 0,88 0,22 0,15
древесные частицы древесные частицы после обработки после обработки (промытые) Рисунок 2 - Разбухание плит по толщине
Таблица 2 - Статистические характеристики разбухания плит по толщине
Материал для изготовления плит
Статистический показатель
ёГ§1§
^ Р н , Я
О &
по ср
в®
Р Оч
рЦ и
дале
чс
Количество измерений 30 30 30
Среднее значение, МПа % 8,14 33,12 65,97
Дисперсия 0,83 1,62 17,85
Стандартное отклонение 0,91 1,27 4,23
Коэффициент вариации, % 11,22 3,85 6,41
Стандартная ошибка 0,17 0,23 0,77
Минимальное значение, % 6,32 30,05 59,11
Максимальное значение, % 9,9 35,7 77,16
влажностью 245 % и промывалась на сетке по ранее указанной методике. Полученный таким образом водный раствор, для разделения частиц по фракциям, подвергался центрифугированию на лабораторной центрифуге ЦЛР-1. Обработка проводилась в следующей последовательности: первоначально центрифугирование проводилось при факторе разделения 1600g., при этом в емкости образовывался осадок и водный раствор (фугат). Затем фугат путем переливки отделялся в другую емкость для дальнейшей обработки при 8800g. Это обусловлено тем, что при 1600 g осаждались в осадок только частицы большой массой и размерами в сравнении с частицами, содержащимися в фугате. Для определения размеров частиц бралось по 1 грамму осадка полученных при разных факторах разделения. При помощи цифровой фотокамеры на световом микроскопе были сделаны фотографии (рисунок 3). Размеры частиц определялись по снимкам с помощью специальной программы. Результаты измерений представлены таблице 3.
..._..._ ... ^ . ..........
' - .
3 N 1 - ■ ■
§ - ■ .
. , 1 . • •-: '
Для определения размерных характеристик мелких частиц в древесной массе проведены следующие исследования. Из партии обработанных в дисперга-торе частиц, бралась навеска массой 100 грамм с
Рисунок 3 - Древесные частицы после гидродинамической обработки
а -частицы крупной фракции размером более 2 мкм б - частицы мелкой фракции размером менее 1 мкм
Полученные результаты (таблица 3) свидетельствуют о том, что в водном растворе, полученном в ходе промывки древесной массы содержаться частицы размерами от 0,75 до 1,06 мкм. Массовая доля таких частиц в древесной массе определялась методом высушивания твердых осадков полученных в ходе центрифугирования. Установлено что в древесной
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015
массе содержится частицы с средним размером 1,06 -0,58 % и 0,75 мкм - 0,29 %. Таким образом доля мелких частиц составляет не более 1 %.
Таблица 3 - Размеры древесных частиц в водном
растворе
Статистический показатель Фактор разделения 1600g 8800g
Количество измерений 145 145
Среднее значение, мкм 1,06 0,75
Стандартное отклонение 0,459 0,317
Коэффициент вариации, % 43,46% 42,04%
Стандартная ошибка 0,038 0,026
Минимальное значение, % 0,38 0,31
Максимальное значение, % 2,91 3,02
Размеры этих частиц меньше размеров древесных клеток. Толщина стенок, даже более тонких ранних трахеид сосны, составляет 2 мкм (Перелыгин, 1954), т.е. примерно в два раза больше. Из чего следует, что эти частицы представляют собой фрагменты стенок трахеид либо паренхимных клеток. Площадь поверхности таких частиц, по сравнению с отдельными клетками, многократно выше. Но по всей вероятности показатели аутогезионного взаимодействия зависят не только от размера частиц, но и от характера их поверхности: «гладкая» или «ворсистая». Безусловно, что во втором случае площадь поверхности будет гораздо больше и соответственно выше энергия ауто-гезионного взаимодействия. Поэтому показатели характеризующие поверхность частиц могут являться главным критерием оценки эффективности гидродинамической обработки древесины и соответственно поиска оптимальных режимных параметров.
ВЫВОДЫ
1 Физико-механические свойства древесных плит получаемых из обработанных в гидродинамическом диспергаторе опилок без использования адгезивов зависят от наличия в древесной массе мелкодисперсных фракций с средним размером менее 1 мкм;
2 Удаление мелкодисперсных частиц из древесной массы, приводит к снижению предела прочности плит при растяжении перпендикулярно пласти в 4,5 раза и увеличению разбухания по толщине более чем в 4 раза.
3 Мелкая фракция, обеспечивающая аутогезион-ное взаимодействие при прессовании плит, в зависимости от средних размеров частиц составляет: 1,06 мкм - 0,58%, 0,75мкм - 0,29 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Азаров, В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов /
B.И. Aзаров, AB. Буров, AB. Оболенская. - СПб.: СШЛ^, 1999.- 628 с.
Aккерман, A.C Плитные материалы и изделия из древесины [Текст] / A.C Aккерман, В.К Aнтакова, В.Е. Бабай-лов /Под ред. Петри В. И. - М.: Лесн. пром-сть,1976.-360с.
Базарнова КГ., Маркин В.И., Катраков И.Б., Колосов П.В., Калюта Е.В., Чепрасова М.Ю. Методы получения лиг-ноуглеводных композиций из химически модифицированного растительного сырья // Рос. хим. ж - 2011. -т. LV, №1. - С. 4-9.
Баяндин МА., Ермолин В.К, Елисеев С.Г. Влияние ме-ханоактивации на аутогезионные свойства древесины // Хвойные бореальные зоны - 2013. - ХХХ1, № 1-2. -
C. 159 - 163.
Дроздов И.Я. Производство древесноволокнистых плит: Учеб. пособие для проф.-техн. училищ.- 3-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Высшая школа, 1979. - 303 с.
Зырянов М. A. Получение полуфабрикатов в одну ступень размола для производства древесноволокнистых плит мокрым способом. Aвтореферат дис. ... кандидата технических наук. Красноярск, 2012.- 22 с.
Кац, Л.И. Древесноволокнистые плиты типа MDF, полученные по мокрому способу производства / Л.И. Кац, Т.В. Соловьева // Лесной вестник. - 2000. - №1. -С 179-181.
Леонович A.A. Физико-химические основы образования древесных плит. - СПб.: ХИМИЗ^Т, 2003. - 192 с.
Микушина, И.В. Изменение химического состава древесины при механической обработке / И.В. Микушина, И.Б. Троицкая, AB. Душкин, КГ. Базарнова // Химия в интересах устойчивого развития. - 2002. - Т. 10, № 4. - С. 443-447.
Петри, В.К Лигноуглеводные древесные пластики текст. / ВКПетри, ИА.Вахрушева. -М.: Лесная промышленность, 1972. 72с.
Солечник КЯ. Производство древесно-волокнистых плит: Учеб. Для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ГОС-ЛEСБУMИЗДAT, 1963. - 326 с.
Фенгел, Д. Венгер Г. Древесина. Химия, ультраструктура, реакции / Д. Фенгел Г. Венгер Перевод с англ. - М.: Лесная промышленность. 1988. - 512 с.
Щипко, М.Л. Отработка режимов производства прессованных материалов из опилок осины с использованием метода взрывного автогидролиза / Сиб. гос. технол. ун-т // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения - Красноярск: СибГТУ, 2010. - Т.1. -С. 470-476.
Эриньш, П. П. Строение и свойства древесины как многокомпонентной полимерной системы / П. П. Эриньш. Химия древесины №1.- Рига: Изд-во «Зинатне», 1977. с. 8-23.
Перелыгин Л.М. Строение древесины. - M.:AH СССР, 1954.- 200 с.
Pizzi A (2006) Recent developments in eco-efficient bio-based adhesives for wood bonding: opportunities and issues. J Adhes Sci Technol 20:829-846
Rowell RM (2005) Handbook of chemistry and wood composites. CRC Press, Boca Raton
Поступила в редакцию 19.01.15 Принята к печати 21.09.15
