Повышение качества поверхности древесностружечных плит для отделки Хоссейни Сейедех Захра

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературы 13

1.1 Состояние производства и отделки древесных плит в России 13

1.2 Физико-химические свойства отделочных материалов 19

1.3 Процессы, протекающие при отделке твердой проницаемой подложки жидкими материалами 31

1.4 Физико-химические свойства поверхности древесных плит и способы их

регулирования 40

1.5 Заключение, постановки цели и задач исследования 49

ГЛАВА 2. Методическая часть 51

2.1 Методика социологического опроса 51

2.2 Сырье и материалы 52

2.3 Физико-химические методы анализа 54

2.4 Спектроскопические методы анализа

2.5 Изготовление образцов древесных плит 55

2.6 Испытания древесных плит 57

2.7 Испытания свойств поверхности древесных плит 58

2.8Изготовление и испытания свойств лакокрасочных покрытий 61

2.9Математическое планирование эксперимента 62

2.10 Математическая обработка экспериментальных данных 62

ГЛАВА 3. Исследование свойств поверхности промышленных древесных плит 63

3.1 Экспертная оценка значимости показателей древесных плит для отделки 63

3.2 Иследование впитываемости жидкостей поверхностью древесных плит 68

3.3 Иследование влияния рецептурного состава промышленных древесных плит разных типов на их свойства 76

ГЛАВА 4. Исследование влияния технологических факторов производства древесностружечных плит на качество их поверхности 85

4.1 Иследование влияния плотности древесностружечных плит на качество их поверхности 85

4.2 Иследование влияния доли наружных слоев древесностружечных плит на качество их поверхности 92

4.3 Иследование влияния влажности стружки наружных слоев древесностружечных плит на качество поверхности 96

4.4 Иследование влияния температуты прессования древесностружечных плит на качество их поверхности 100

4.5 Иследование влияния расхода смолы в наружных слоях древесностружечных плит на качество их поверхности 113

4.6 Иследование влияния добавок парафина в наружных слоях древесностружечных плит на качество их поверхности 117

ГЛАВА 5. Исследование и разработка технологий древесностружечных плит с улучшенным качеством поверхности 125

5.1 Исследование и разработка технологии древесностружечных плит с наружными слоями из частиц коры 125

5.2 Исследование и разработка технологии древесностружечных плит с наружными слоями из микростружки, модифицированной раствором гидроксида натрия .141

ГЛАВА 6. Технологические схемы производства дсп с наружными слоями из коры и из микростружки, обработанной гидроксидом натрия 166

6.1 Технологическая схема производства ДСП с наружными слоями из древесной коры 166

6.2 Технологическая схема производства ДСП с наружными слоями из микростружки, обработанной гидроксидом натрия .169

ГЛАВА 7. Экономическая эффективность производства и отделки дсп с наружными слоями из коры и из микростружки, обработанной гидроксидом натрия 172

7.1 Экономическая эффективность производства ДСП с наружными слоями из древесной коры 172

7.2 Экономическая эффективность производства ДСП с наружными слоями из микростружки, обработанной гидроксидом натрия 175

7.3 Экономическая эффективность отделки ДСП с наружными слоями и древесной коры и из микростружки, обработанной гидроксидом натрия 178

Список сокращений в тексте 183

Список литературы

• Процессы, протекающие при отделке твердой проницаемой подложки жидкими материалами
• Физико-химические методы анализа
• Иследование впитываемости жидкостей поверхностью древесных плит
• Иследование влияния влажности стружки наружных слоев древесностружечных плит на качество поверхности

Введение к работе

Актуальность темы исследования За последние 15 лет в Российской Федерации сформировалась развитая подотрасль древесных плит. В 2015 году производство древесностружечных плит (ДСП) достигло уровня 6,8 млн. м³ при среднегодовых темпах роста выпуска 7,5 %, а производство древесноволокнистых плит средней плотности (MDF) или плит моноструктурных волокнистых (ПМВ) составило 304,9 млн. м² (около 2,0 млн. м³) при среднегодовых темпах роста выпуска 38,7 %. Интенсивное развитие объясняется широким использованием древесных плит в мебельном производстве, строительстве и других сферах. Они хорошо подвергаются механической обработке и отделке.

Основная масса производимых древесных плит потребляется мебельной промышленностью: до 90 % древесностружечных плит и до 60 % плит ПМВ. Показатели их качества должны соответствовать требованиям мебельного производства, и в первую очередь условиям отделки, поскольку практически все плиты применяются в отделанном виде.

Плиты мебельного назначения отделывают в основном лакокрасочными и пленочными материалами, которые закрепляют на поверхности плиты с помощью клея. Расход жидких лакокрасочных материалов (ЛКМ) и клеев составляет 90…150 г/м² поверхности пласти плиты. Бумажно-смоляные пленки для ламинирования изготавливают путем пропитки бумаг массой 60…100 г/м² растворами синтетических смол, содержание которых после сушки находится на уровне 90…150 г/м² пленки.

Актуальной задачей является сокращение расхода жидких отделочных материалов при сохранении качества образующихся покрытий. Процесс образования покрытия состоит из нескольких стадий после нанесения лакокрасочного материала или клея на поверхность плиты: смачивание и растекание жидкости по поверхности подложки, впитывание жидкости поверхностным слоем плиты, образование адгезионного взаимодействия, отверждение плен-кообразователя отделочного материала. На каждый из этих процессов оказывает влияние природа покрываемой поверхности. Таким образом, формирование защитно-декоративных покрытий в системе твердое тело – жидкость в значительной мере определяется физико-химическими свойствами поверхности подложки из древесной плиты.

В комплекс физико-химических свойств поверхности подложки, оказывающих решающее влияние на расход отделочных материалов и качество образующихся покрытий, входят такие показатели, как рецептурный состав, однородность структуры, шероховатость, смачивающая и впитывающая способности, кислотность, плотность и прочность поверхности древесных плит.

Все они могут изменяться в процессе изготовления плит путем регулирования технологических факторов производства плит или путем создания специальных технологий.

Сравнение показателей качества поверхности плит показывает, что ДСП уступают плитам ПМВ по таким важным физическим и физико-механическим свойствам как однородность структуры, плотность и прочность. Учитывая это обстоятельство и то, что древесностружечные плиты являются более массовым листовым материалом, применяемым в мебельном производстве, более рационально в настоящий момент заниматься повышением качества поверхности ДСП.

Системное решение научных и практических задач, связанных с повышением качества поверхности ДСП для отделки, является актуальным и позволит разработать технологии производства плит нового поколения.

Степень проработки темы исследования Процессы формирования физико-химических свойств поверхности древесностружечных плит и разработку технологий производства плит с улучшенными показателями шероховатости, плотности, прочности, гидрофобности и кислотности прорабатывали российские и зарубежные ученые Г.М. Шварцман, Д.А. Щедро, А.А. Эльберт, А.М. Завражнов, А.А. Семенов, В.В. Васильев, S.M. Hafezi, K. Doost Hosseini, M. Baharoglu, H. R. Taghiyari, O. Farajpour Bibalan.

Целью работы является разработка научных основ улучшения физико-химических свойств поверхности древесностружечных плит для отделки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

рейтинговая оценка показателей качества поверхности древесных плит для отделки;

исследование процесса впитывания жидкости поверхностью древесных плит;

исследование физико-механических и физико-химических свойств поверхности промышленных древесных плит;

исследование влияния технологических факторов производства древесностружечных плит на физико-механические и физико-химические свойства их поверхности;

исследование и разработка технологий изготовления древесностружечных плит с улучшенным качеством поверхности.

Научная новизна работы

1. Обосновано использование следующих дополнительных показателей для оценки пригодности древесных плит для отделки: «Плотность поверхностного слоя плиты», «Впитываемость жидкости поверхностным слоем плиты», «Разбухание наружного слоя», «рН наружного слоя» и «Упрессовка дре-

весных плит при ламинировании», которые не учитываются в настоящее время российскими нормативными документами.

1. Исследована кинетика процесса впитывания жидкости поверхностью древесностружечных плит и древесноволокнистых плит средней плотности как функция полярности растворителя. Установлено, что скорость впитывания толуола зависит преимущественно от величины средней плотности краевых зон поверхностного слоя плиты, то есть от пористости ее поверхности, а воды – от наличия в наружных слоях плит веществ с высоким значением краевого угла смачивания.

2. Установлен преимущественный механизм поглощения жидкости в зависимости от плотности поверхностного слоя ДСП. При плотности менее 500 кг/м³ поглощение жидкости происходит в основном по межстружечным пространствам с высокой скоростью, при плотности выше 500 кг/м³ – преимущественно по капиллярам древесины с пониженной скоростью.

3. Идентифицирована полоса с пиком химического сдвига 150 м. д. на спектрах ЯМР ¹³C в твердом теле материалов, снятых с поверхности ДСП, а также древесной микростружки, со структурной фенилпропановой единицей лигнина, характерной для лиственной древесины, что дало возможность сказать о стабильности лигнина в древесных частицах при термическом воздействии в процессе горячего прессования плит.

4. Установлено, что ухудшение физико-механических показателей поверхности ДСП при повышении температуры прессования от 180 до 240 ^оС обусловлено разрушением карбамидоформальдегидного полимера (КФП) наружных слоев плит путем снижения в 2 раза содержания метиленовых групп –СН₂– и карбонильных групп С=О. Древесный комплекс частиц наружных слоев практически не претерпевает изменений.

Теоретическая значимость работы Развиты представления о процессе впитывания жидкостей с разной полярностью поверхностью древесных плит, о стабильности древесного комплекса и превращениях карбамидоформальде-гидного полимера наружных слоев ДСП при горячем прессовании плит и о влиянии основных технологических факторов производства древесностружечных плит на формирование физико-химических свойств их поверхности.

Практическая значимость работы

1. Предложена методика определения пригодности поверхности древесных плит для отделки путем анализа поглощения воды плитой.

2. Определены оптимальные значения основных технологических факторов производства ДСП, оказывающих влияние на формирование показателей качества их поверхности: плотность ДСП, доля наружного слоя, влажность стружки наружного слоя, температура прессования плит, содержание связующего в наружном слое, содержание парафина в наружном слое.

3. Разработана технология изготовления ДСП с улучшенным качеством поверхности путем использования для наружных слоев мелких частиц древесной коры, что дополнительно обеспечивает расширение сырьевой базы для производства плит и утилизацию крупнотоннажного отхода деревообрабатывающей промышленности.

Разработана технология изготовления ДСП с улучшенным качеством поверхности с наружными слоями из микростружки, модифицированной раствором гидроксида натрия.

Реализация предлагаемых технологий открывает возможность снижения себестоимости производства ДСП и сокращение расхода жидких отделочных материалов на 20...40 %.

Методология и методы исследования При проведении исследований применяли комплексную систему стандартных, модифицированных и оригинальных методов исследования физических, физико-механических, физико-химических и химических свойств сырья, материалов и готовой продукции. Применены также современные аналитические методы: твердотельный ЯМР и ИК-спектроскопия. Зависимости между исследуемыми показателями описаны математическими уравнениями.

Положения, выносимые на защиту

3. Показатели поверхности древесных плит, которые важны для отделки, но не учитываются в настоящее время российскими нормативными документами.

4. Процесс впитывания жидкостей с разной полярностью поверхностью древесных плит.

5. Методика определения впитываемости воды поверхностью древесных плит.

6. Характеристика свойств поверхности промышленных древесноволокнистых плит средней плотности и древесностружечных плит различных типов.

7. Свойства ДСП, изготовленных при изменении следующих технологических параметров: плотность плиты, доля наружного слоя, влажность стружки наружного слоя, температура прессования плит, содержание связующего в наружном слое, содержание парафина в наружном слое.

8. Технологический процесс производства ДСП с наружными слоями из мелких частиц древесной коры фракции 2/0 мм.

9. Технологический процесс производства ДСП с наружными слоями из микростружки, модифицированной раствором гидроксида натрия.

Степень достоверности Достоверность результатов работы основывается на достаточном объеме экспериментов с применением современных методов исследования. Экспериментальные данные обрабатывали методами ва-

риационной статистики при доверительной вероятности Р = 0,95. Статистическую обработку экспериментальных данных, предназначенную для количественных выводов, а также нахождение уравнений зависимости осуществляли на компьютере с использованием прикладных программ «Excel». Адекватность полученных моделей подтверждена.

Апробация результатов Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и симпозиумах всероссийского и международного уровней: на ежегодных научно-технических конференциях по результатам работы Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 2014-2017 гг.; на международных научно-практических конференциях «Состояние и перспективы развития производства древесных плит» (г. Балабаново, 2014 и 2016 г.), «Древесные плиты: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, 2015 и 2017 г.); на Петербургском международном Лесопромышленном форуме (г. Санкт-Петербург, 2014 и 2016 г.); на международной научно-практической конференции «Леса России: политика, промышленность, наука, образование» (г. Санкт-Петербург, 2016 г.).

Публикации по работе По материалам диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 4 статьи в специализированных научных журналах, рекомендованных ВАК.

Процессы, протекающие при отделке твердой проницаемой подложки жидкими материалами

Нанесенный слой шпатлевки сушат в специальной камере до образования твердой структуры покрытия. Затем на шпатлеванную поверхность наносят фоновый грунт (краска на основе нитроцеллюлозы или другого пленкообразователя) в количестве 40…50 г/м2. После сушки грунт-фона на его поверхности печатают рисунок текстуры древесины. Расход краски в зависимости от рисунка 3…10 г/м2. Для защиты напечатанного рисунка производят лакирование поверхности. В мировой практике применяют различные типы лаков: чистые нитроцеллюлозные, нитрокомбинационные (модифицированные алкидными смолами), карбамидо - и меламиноалкидные, полиэфирные, полиуретановые, акрилатные и т. д. Расход лака зависит от его типа и составляет для полиэфирных парафинсо-держащих 450…500 г/м2, для других лаков 40…150 г/м2 [94].

Отделанные методом печатания рисунка текстуры древесины поверхности древесностружечных плит довольно привлекательны в эстетическом отношении и по внешнему виду почти неотличимы от фактуры естественной древесины. Печатный рисунок очень стоек, он хорошо противостоит ультрафиолетовому излучению и прочим вредным воздействиям, возникающим в процессе эксплуатации [77].

Для изготовления кухонной, детской, школьной и лабораторной мебели широко используют древесные плиты с непрозрачной лакокрасочной отделкой [73]. В этом случае для изготовления лицевого слоя покрытия применяют эмали, реже краски. Внутренние слои покрытия состоят из шпатлевки и грунтовки или из одной грунтовки. При использовании только грунтовки ее расход составляет 80…100 г/м2 [94]. Применяют глифталевые, полиэфирные, полиакрилатные и другие грунтовки. После сушки загрунтованной поверхности на нее наносят эмаль в количестве 150…300 г/м2 [94]. Применяют нитроцеллюлозные, меламино - и карбамидофор-мальдегидные, полиэфирные и другие эмали.

Пленочные покрытия получают путем закрепления на поверхности плиты готового листового или рулонного материала, который закрепляется на поверхности подложки с помощью жидкого клея. Пленочные материалы подразделяют на мягкие и жесткие.

К мягким относятся бумажно-смоляные пленки с неполной поликонденсацией смолы. Процесс закрепления их на поверхности плиты называется ламинированием [26, 77]. Пленки получают путем пропитки декоративной бумаги массой 60…100 г/м2 растворами карбамидоформальдегидного, меламиноформальдегидного или кар-бамидомеламиноформальдегидного олигомера. После пропитки пленку сушат при температурах от 110 до 160 оС. Процесс сушки регулируют таким образом, чтобы поликонденсация пропиточной смолы прошла не полностью. После пропитки и сушки бумажно-смоляной пленки содержание сухой смолы в них находится на уровне 60 %, то есть 90…150 г/м2. При облицовывании плиты в горячем прессе при температуре 180…220 оС неотвержденная смола, находящаяся в пленке, плавится, растекается по подложке и отверждается, образуя прочное клеевое соединение между пленкой и подложкой [26, 77].

К жестким облицовочным материалам относятся бумажно-смоляные пленки с полной поликонденсацией смолы, древесный шпон, декоративные бумажные слоистые пластики, пленки на основе термопластов, искусственная кожа и другие [28, 90]. Их закрепляют на поверхности плиты с помощью клея, который наносят на подложку или облицовочный материал.

Процесс отделки плит бумажно-смоляными пленками с полной поликонденсацией смолы называется кашированием [28, 77]. При изготовлении пленок этого класса используют дешевые карбамидоформальдегидные смолы. Для увеличения адгезии покровных лаков к пленкам при последующей защите декоративных рисунков, а также для придания пленками эластичности в карбамидоформальдегидные смолы добавляют 10-15 % полиакрилатных или полиэфирных пропиточных смол [77]. Это позволяет производить готовую кашировальную пленку в виде рулонов. Процесс пропитки и сушки пленок этого класса такой же, как ламинатных пленок, но режимы более жесткие, поскольку требуется, чтобы смола была полностью отверждена. На выходе из пропиточно-сушильной машины на пленку наносят защитный слой лака, например, нитроцеллюлозного или полиэфирного, в количестве 40…50 г/м2 и снова сушат [26, 77].

Облицовку древесных плит бумажно-смоляными пленками с полной поликонденсацией смолы производят в горячих роликовых прессах (термокаширование). Сначала поверхность плиты нагревают до 40…60 оС в камере проходного типа, а затем на нагретую поверхность наносят клей со следующим расходом, г/м2: поливи-нилацетатные дисперсии 80…120, карбамидоформальдегидные 40…80, клеи с растворителями 140…180 [94]. Закрепление пленки на поверхности плиты производят с помощью накатывающих и прессующих валов, нагретых до температуры 200…220 оС, при давлении 1,5…2,0 МПа, скорости подачи 12…17 м/мин. Облицовку плит производят и по технологии «квикстеп», в соответствии с которой закрепление пленки проходит в плоском короткотактном прессе при следующих режимах: скорость подачи 10…12 м/мин, температура прессования 140...160 оС, удельное давление 0,5...0,8 МПа продолжительность прессования 7...14 секунд [90].

Для облицовки плит методом каширования может использоваться пластмассовая пленка на основе термопластов. В основном применяют поливинилхлоридные пленки толщиной 0,1…0,6 мм [94]. Для приклеивания рулонных термопластичных пленок используют модифицированные дисперсионные клеи на основе поливинил-ацетата, клеи на основе эластомеров в виде латексов или растворов резиновых смесей в органических растворителях и клеи на основе карбамидоформальдегидных смол [90]. Расход клея 80…160 г/м2 [94]. Облицовывание ДП плит пленками на основе термопластов производят в основном на линиях холодного или теплого каши-рования. В линиях теплого каширования перед нанесением клея плиту нагревают до 40…60 оС в камере проходного типа.

Физико-химические методы анализа

Кору сосны, ели, осины и ольхи сушили до влажности 2…3 %, измельчали на молотковой дробилке марки ALPINE-40/20 (Германия), сортировали на ситовой установке с диаметром отверстий сит 2,0 мм. Для изготовления наружных слоев отбирали частицы коры фракции 2/0 мм. Крупную фракцию коры подвергали дополнительному измельчению.

Для изготовления опытных образцов ДСП в качестве связующих использовали КФС марки КФ МТ-15 производства ОАО “Вышневолоцкий МДОК” г. Вышний Волочек Тверской области (ТУ 2223-002-96446663-2009) с массовой долей сухого остатка 66…68 % и фенолоформальдегидную смолу (ФФС) марки СФЖ-3014 произ 53 водства ООО «ЛЕКС», г. Дзержинск Нижегородской области (ГОСТ 20907-75) с массовой долей сухого остатка 49,5 %. В качестве отвердителя КФС применяли хлорид аммония в виде 20%-го раствора с расходом 1…4 % абс. сух. соли от массы абс. сух. смолы.

Для обработки древесных частиц наружных слоев ДСП применяли серную кислоту ГОСТ 2184-2013 [36] концентрацией 10 % и гидроксид натрия ГОСТ 4328-77 [38] концентрацией от 4,7 до 45,2 %. Для исследования впитываемости поверхности образцов плит использовали толуол ГОСТ 5789-78 [39] и дистиллированую воду ГОСТ 6709-72 [40]. Для анализа содержания формальдегида в опытных плитах применяли водный раствор ацетилацетона ГОСТ 10259-78 [42] концентрацией 0,4 % и раствор уксуснокислого аммония ГОСТ 3117-78 [37] концентрацией 20 %.

Отделку плит производили двумя типами лакокрасочных материалов, – на основе органических растворителей и на водной основе. Использовали следующие ЛКМ: - Грунтовка. Морилка нитроцеллюлозная «Орегон», ТУ 2388-021-45539771-2000. Растворитель – спирт. Содержание нелетучих веществ (сухой остаток) 5 %. - Лак. Лак мебельный НЦ-218, бесцветный, глянцевый, СТО 50967612-002-2011. Растворитель – смесь летучих органических жидкостей. Содержание нелетучих веществ (сухой остаток) 29 %. - Лак. Лак для дерева акрилатный, ТУ 2313-055-32811438-2008. Растворитель – вода. Содержание нелетучих веществ (сухой остаток) 30 %.

Исследование свойств поверхности проводили на промышленных древесностружечных плитах производства ОАО «Нововятский лыжный комбинат» (г. Киров), ООО «Завод Невский Ламинат» (пгт. Дубровка Ленинградской обл.), ЗАО «Череповецкий фанерно-мебельный комбинат» (г. Череповец Вологодской обл.), ООО «ИКЕА Индастри Новгород» (п. Подберезье Новгородской обл.) и на промышленных древесноволокнистых плитах средней плотности производства ООО «Шекснин 54 ский комбинат древесных плит» (рп. Шексна Вологодской обл.) и ОАО «Лесплитин-вест» (г. Приозерск Ленинградской обл.). Влажность стружки определяли весовым методом на влагомере лабораторном весовом марки ML-50 фирмы AND, Япония (BS EN 61326-2002).

При определении фракционного состава древесных частиц навеску древесных частиц (50 г) помещали в ситовой анализатор, оснащенный набором сит с размерами ячеек сит 10, 7, 5, 3, 2, 1 и 0,5мм. Продолжительность рассеивания 5 мин. После рассеивания определяли массу каждой фракции на аналитических весах с точностью до 0,01 г. Размеры отдельных фракций древесины обозначали цифрами: -/10 10/7 7/5 5/3 3/2 2/1 1/0,5 0,5/0 где в числителе - ширина отверстия сита в мм, через которое прошли древесные частицы, а в знаменателе - на котором задержались.

Условную вязкость КФС определяли по вискозиметру ВЗ-246 с соплом диаметром 4 мм по ГОСТ 8420-74 [41]. Определение содержание сухих веществ в смоле определяли весовым способом с высушиванием в сушильном шкафу при температуре 105±2С по ГОСТ 25271-93 [51].

Для приготовления препаратов с поверхностного слоя плит срезали 1…2 г материала на глубину не более 1 мм. Для сравнения использовали целлюлозу, древесную микростружку и отвержденную КФС. Жидкую смолу смешивали с отвердите-лем хлоридом аммония в количестве 1 % по сухим веществам, заливали в кюветы из алюминиевой фольги и выдерживали при комнатных условиях в течение 6 месяцев. Все препараты измельчали в ступке и просеивали на сите. Для снятия спектров отбирали фракцию 0,5/0 мм.

ИК спектры древесных материалов в виде запрессовок (таблеток) с бромидом калия записывали на спектрометре Shimadzu IR Affinity-1 в диапазоне 400 - 4000 см-1 с разрешением 4 см-1, используя аподизацию Хаппа-Генцеля, 20 сканов.

Спектры ЯМР 13C в твердом теле регистрировали при 25C на спектрометре Bruker Avance III 400 WB, снабженным датчиком Bruker H-F/X 4 мм CP/MAS, при 100 МГц, используя сигнал триметилсилана (8С 0 м.д.) в качестве внешнего стандарта. Использовали технику кросс-поляризации для подавления спин-спин спинового взаимодействия с протонами, длительность импульса 2 мс, скорость вращения под магическим углом 10 КГц. Расчет химического сдвига ядер 13С в полизамещенных соединениях с учетом эффектов заместителей в соотвествующих монозамещенных углеводородах производили по методике [87].

Опытные образцы трехслойных ДСП размером 400х400х16 мм изготавливали способом плоского прессования в лабораторных условиях. На высушенную микростружку и стружку при перемешивании в барабанном смесителе путем распыления наносили раствор связующего. Связующее получали путем смешивания КФС, воды и раствора отвердителя. В качестве отвердителя использовали хлорид аммония в виде 20 % раствора. Формирование стружечного ковра и равномерное распределение микростружки и стружки по толщине производили вручную в деревянной рамке размером 400х400 мм. Сформированный стружечный ковер помещали между двумя поддонами. Горячее прессование плит толщиной 16 мм проводили на стальных поддонах толщиной 3,0 мм в прессе марки "АКЕ" типа НРА 500х500х1х160 ТОN. Режимы изготовления ДСП, общие для всех исследований: плотность плит 650 кг/м3, содержание абс. сух. смолы от массы абс. сух. древесины: в наружных слоях – 14 %, во внутреннем слое – 9 %, концентрация рабочего раствора смолы 55 %. Расход абс. сух. отвердителя от массы абс. сух. КФС в наружном слое 0,6 %, во внутреннем – 2,0 %. Доля наружных слоев 30 % от массы плиты.

Температура прессования 220 оС, давление 2,7 МПа, удельное время 0,18 мин/мм. Графики прессования имеют ступенчатый сброс давления [112]. При прессовании плит на лабораторном прессе вспомогательное время составило: время смыкания плит пресса 3…4 с время подъема давления до максимального 24…28 с время посадки плит пресса на планки 2…20 с. После горячего прессования плиты кондиционировали в течение 3 суток при температуре 20 ± 5С и относительной влажности воздуха 65±15%, шлифовали вручную шкуркой Р80 по ГОСТ Р 52381-2005 [54] и подвергали испытаниям.

При исследовании влияния технологических факторов на свойства ДСП варьировали отдельные технологические параметры, поддерживая остальные на уровнях, приведенных выше. Давление и удельное время горячего прессования для плит разной плотности представлены в табл. 2.2.

Иследование впитываемости жидкостей поверхностью древесных плит

Характер впитывания толуола и воды различается. Об этом говорит то, что крайние значения показателей впитываемости толуола и воды не всегда наблюдаются у одних и тех же плит. Наиболее ярко это видно на примере волокнистых плит. Так, ПМВ № 1 имеет минимальное впитывание воды, но максимальное впитывание толуола. ДСП № 3 и 4 имеют одинаковую минимальную впитываемость толуола, длина трассы толуола на их поверхности соответственно 270 и 280 мм, однако ДСП № 3 характеризуется максимальным значением поглощения воды.

Таким образом, испытание поведения двух жидкостей на поверхности ДСП четырех партий и ПMВ двух партий показало, что впитывание толуола и воды поверхностью плит отличается. На процесс впитывания жидкостей может оказывать влияние рецептурный состав наружных слоев плит, в частности присутствие парафина. Определение поверхностной впитываемости древесных плит с помощью воды более соответствует реальным условиям отделки. Его можно проводить по предла 76 гаемой нами методике, определяя увеличение толщины, впитываемость и скорость впитывания воды за 30…60 мин контакта образца ДСП с водой и за 10…20 мин контакта образца ПMВ с водой.

Для выявления влияния рецептурного состава древесных плит на свойства их поверхности исследовали физико-механические и поверхностные свойства 4 партий промышленных ДСП разных типов и 1 партии промышленных ПMВ (Приложение Б).

ДСП изготовлены в цехе ДСП ООО «Завод Невский ламинат», ДВП-СП произведена в цехе ПМВ ООО «Шекснинский КДП». Анализируемые плиты отличаются рецептурным составом. ДСП типа Р2, Р6 и ПМВ изготовлены на КФС, а ДСП повышенной влагостойкости типа Р3 и Р5 – на МКФС. Для повышения влагостойкости в состав плит ДСП типа Р3, Р5 и Р6, а также в плиты ПМВ введен парафин. Свойства плит приведены в табл. 3.7. Для расчета величины работы адгезии определили поверхностное натяжение КФС концентрацией 55 % на границе раздела жидкость - воздух ( жв), которое равно 89,0 мН/м.

Результаты физико-механических испытаний показывают, что ДСП по показателям прочности и водостойкости отвечают требованиям российских и европейских стандартов, плита ПМВ имеет несколько пониженные по сравнению с требованиями ГОСТ 32274-2013 [52] показатели прочности при статическом изгибе и при растяжении перпендикулярно пласти плиты. Остальные показатели этой плиты соответствуют ГОСТ. Плита типа Р2 имеет более высокий показатель разбухания при выдержке в воде по сравнению с другими типами плит поскольку в ее составе нет гидрофобиза-тора – парафина.

Значение рН поверхности древесных плит изменяется в диапазоне от 6,0 до 6,7, что соответствует рекомендациям специалистов.

Величина краевого угла смачивания раствора карбамидоформальдегидной смолы на поверхности ДСП находится в интервале от 79 до 85о, а на поверхности волокнистой плиты – 68о. Полученные данные показывают, что водный раствор пленкообразователя лучше растекается на пласти плиты ПМВ. Соответственно и значение величины работы адгезии максимальное у плиты ПМВ – 122 мДж/м2. У древесностружечных плит этот показатель находится на уровне 100 мДж/м2.

Показатели поверхностного впитывания жидкостей приведены в табл. 3.8. Результаты испытаний показывают, что плиты значительно различаются между собой по этим показателям. Так, длина трассы толуола изменяется от 57 мм у плиты ПМВ, что является худшим показателем, до 351 мм у ДСП типа Р5.

Впитывание воды также изменяется в широком диапазоне. За 10 минут плита ПМВ впитывает 67 г/м2 поверхности (лучший показатель), а ДСП типа Р2 – 712 г/м2. Аналогичное распределение свойств плит наблюдается для показателя скорости впитывания воды. При проведении испытания в течение 60 минут закономерности в различиях свойств плит сохраняются, причем с большей разницей.

Разбухание плит по толщине в результате поверхностного впитывания воды в течение 10 минут дает возможность выявить вид связующего, на котором изготовлены плиты. Так, ДСП типа Р2 и Р6, а также плита ПМВ, изготовленные на КФС, имеют показатель разбухания в диапазоне от 0,23 до 0,28%. Плиты повышенной влагостойкости типа Р3 и Р5, изготовленные на МКФС, за это же время испытания разбухают на 0,05…0,08%, то есть меньше примерно в 4

При увеличении времени испытания до 60 минут влияние вида синтетической смолы теряет свое значение. Главным фактором, оказывающим преимущественное значение на величину разбухания, становится наличие гидрофобной добавки в составе плиты. ДСП без парафина типа Р2 разбухает на 5,83%, а остальные плиты с парафином только на 0,25…0,48%.

На рисунках 3.7 и 3.8 показано распределение плотности по толщине промышленных плит. Наружные слои имеют увеличенную плотность, однако плотность краевых зон у поверхности плит снижается (табл. 3.9). Снижение плотности на поверхности пласти плиты от максимальной плотности наружного слоя достигает для древесностружечных плит следующих величин: 32 кг/м3 (ДСП Р2), 97 кг/м3 (ДСП Р3), 103 кг/м3 (ДСП Р5) и 20 кг/м3 (ДСП Р6).

Иследование влияния влажности стружки наружных слоев древесностружечных плит на качество поверхности

В материалах, снятых с поверхности ДСП, имеются свидетельства о присутствии в них карбамидоформальдегидной смолы. Так, на всех ИК-спектрах с поверхности плит имеется слабая полоса с пиком на уровне 1530…1550 см-1, которая относится к деформационным колебаниям группы –NH–. На спектре чистой микростружки эта полоса отсутствует. На всех спектрах материалов ДСП имеется слабая полоса с пиком поглощения 776 см-1, которую относят к валентным колебаниям группы С–Cl. Причем с повышением температуры прессования плит высота и площадь этого пика уменьшается. Еще одним доказательством реагирования спектрального анализа на присутствие смолы в образцах является полоса с пиком поглощения 2190 см-1. На спектре отвержденной КФС она имеет хорошо выраженную полосу средней величины в диапазоне 2000 – 2300 см-1, на спектре чистой микростружки ее нет, а на спектрах материалов с поверхности ДСП она присутствует в виде слабой полосы с небольшим пиком на уровне 2180…2200 см-1. По литературным данным эта полоса идентифицируется как валентные колебания группы СС. Мы не можем предложить реакции в ходе синтеза КФС, в результате которых образуются соединения с такими группами. Вопрос идентификации этой полосы требует дополнительной проработки.

Сравнение спектров материалов с поверхности ДСП показывает, что в древесном комплексе не происходит заметного изменения состава при повышении температуры прессования плит. Полосы и пики полос поглощения, характерные для древесины, остаются практически без изменений.

На основании анализа ИК-спектров можно сделать вывод, что на спектрах материалов, снятых с поверхности древесных плит, отражены основные компоненты ДСП, – древесина и отвержденная КФС. Имеются свидетельства, что температура прессования плит не приводит к заметному изменению древесного комплекса, но оказывает влияние на изменение группового состава отвержденной смолы. Однако имеющиеся данные не позволяют произвести количественный анализ этих изменений.

Для более точного анализа изменения компонентов наружных слоев ДСП при горячем прессовании сделали спектры ЯМР 13C в твердом теле материалов, снятых с поверхности плит, а также исходной микростружки и отвержденной КФС (рис. 4. 11). Там же приведен спектр целлюлозы.

На спектрах микростружки и материалов, снятых с поверхности ДСП, хорошо идентифицируется целлюлоза по пикам сигналов при 5 = 62…64 68…72 82…83 87..88 и 102.. 103 м.д. Форма и размеры этих пиков практически не меняются при повышении температуры прессования ДСП, что говорит о том, что в процессе прессо 109 вания плит целлюлоза не претерпевает значительных изменений химического состава.

На спектре микростружки имеются пики, отличающиеся от спектра чистой целлюлозы. Все они относятся к лигнину древесины. Так, полоса с пиком 18 м.д. может быть отнесена к ароматическим углеводородам, в частности к соединению «Бензол–СН(СН3)2», химический сдвиг 13С которого равен 18,6 м. д. [87]. Эта полоса характеризует также гидроксиметильные группы –СН2ОН, химический сдвиг углерода которых имеет пик на уровне 18,2 м. д. [87, 27]. Полоса с пиком 54 м.д. может быть отнесена к метильным группам, находящимся в соединении «–О–фенил», химический сдвиг 13С которого равен 54,8 м. д. [87].

Полоса с пиком 150 м. д. хорошо согласуется со структурной фенилпропано-вой единицей лигнина, характерной для лиственной древесины, имеющей в своем составе две метоксильных группы –ОСН3 [78]. Фенилпропановая единица лигнина является полизамещенным бензолом. Произвели расчет химического сдвига ядер 13С в соединении бензола с учетом эффектов заместителей в соответствующих моноза-мещенных углеводородах по методике [87]. Углерод бензольного кольца при меток-сильной группе приняли за 1-е положение. Химический сдвиг чистого бензола 128,5 м. д. [8]. Эффекты заместителей: Z1 (–ОСН3) = 33,5 м. д. Z2 (–ОН) = – 12,8 м. д. Z3 (– ОСН3) = 1,0 м. д. Z3 (–СН2СН2СН3) = 0,1 м. д. Сумма эффектов = 128,5 + 33,5 – 12,8 + 1,0 + 0,1 = 150,3. Произведенный расчет подтверждает, что полоса с пиком 150 м. д. относится к лигнину. Так же, как и у целлюлозы, форма и размеры этих пиков практически не меняются при повышении температуры прессования ДСП, что говорит о том, что в процессе прессования плит лигнин не претерпевает значительных изменений химического состава

На спектре отвержденной смолы пики, характерные для целлюлозы и лигнина, отсутствуют, появляются сигналы, по которым можно идентифицировать метилено-вые группы СН2. Так, полоса с пиком 44,5 м. д. отвечает химическому сдвигу мети 110 леновой группы в соединении –СН2–NH–CH2– (химический сдвиг по справочнику 44,5 м. д. [87]). Полоса с пиком 52 м. д. может быть отнесена к метиленовой группе в соединении –СН2–N(–С–)–CH2– (химический сдвиг по справочнику 51,4 м. д.) и к метиленовой группе в соединении –(–С–)–СН2–NН–CH2–(–С–)– (химический сдвиг по справочнику 52,4 м. д.).

Полоса с пиком 157,5 м. д. может быть отнесена к карбонильной группе С=О карбамида. Средний химический сдвиг ядра 13С в карбонильных группах амидов находится на уровне 165,0 м. д. [87]. В зависимости от окружающих его заместителей он может варьировать. Так, для соединения Н–СО–N(CH2)2 химический сдвиг составляет 162,6 м. д. Альфа заместитель при азоте в виде углерода имеет значение Z = – 1,5 [87]. В результате сумма эффектов составляет = 162,6 – 2 1,5 = 159,6 м.д., то есть этот пик укладывается в анализируемую нами полосу.

Полосы с пиками 44,5 52,0 и 157,5 м.д. присутствуют на спектрах материалов, снятых с поверхности плит, причем размеры полос химического сдвига изменяются с изменением температуры прессования. На рис. 4.12 представлены фрагменты спектров, показывающие изменения функциональных групп КФС в процессе горячего прессования ДСП, а в табл. 4.9 приведены расчетные значения отношений интенсив-ностей сигналов поглощения атомов углерода метиленовой и карбонильной групп в микростружке и материалов с поверхности ДСП, изготовленных при различных температурах прессования. Отношения интенсивностей рассчитывали, как соотношение площадей полос химического сдвига.

Представленные данные показывают, что с повышением температуры прессования происходит снижение содержания метиленовых и карбонильных групп КФС, что говорит о деструкции смолы. Увеличение температуры прессования ускоряет процесс разрушения КФС. Кинетика деструкции по потере метиленовых и карбонильных групп одинакова.