VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В настоящее время в целях обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции перед предприятиями по производству фанеры остро стоит проблема снижения материалоемкости производства. В мировой практике функционирования фанерных предприятий при наличии операции окорки сырья образующиеся отходы перерабатываются в щепу и стружку и направляются в производство древесно-стружечных плит. При отсутствии операции окорки отходы сжигаются в топках котельных. Данные направления переработки образующихся отходов не являются достаточно эффективными, так как не влияют на показатель расхода фанерного сырья на изготовление единицы продукции.

В фанерном производстве неизбежно образуются отходы: отбракованные низкокачественные круглые лесоматериалы и вырезки дефектных мест при раскрое сырья на чураки, отходы от лущения (шпон-рванина, обрезки кускового шпона), отходы от форматной обрезки готовой продукции и др. Одним из направлений эффективного использования древесных отходов фанерного производства является выпуск композиционной фанеры с наружными слоями из взаимноперепендикулярных слоев лущеного шпона и внутренним слоем на основе измельченных древесных отходов в смеси с клеем [1]. Вовлечение измельченных отходов в производство композиционной фанеры позволит эффективно их утилизировать и улучшить экономические показатели работы фанерного производства – снизить расход сырья и себестоимость единицы продукции.

Композиционная фанера обладает высокими эксплуатационными характеристиками. Ее основные свойства в зависимости от схем сборки освещены в работах [2,3]. Прочностные показатели композиционной фанеры уступают фанере общего назначения, что объясняется наличием «слабого» внутреннего слоя из древесно-клеевой композиции.

Одним из основных видов нагружения фанеры при ее эксплуатации является изгиб [4]. При воздействии изгибающей нагрузки слои в фанере (слои шпона, слой древесно-клевой композиции) деформируются как однородный монолитный материал с одним общим нейтральным слоем (нейтральной линией), так как они соединены между собой силами трения и адгезионными связями синтетического связующего.

Известно, что изгибающий момент, возникающий при изгибе, вызывает в поперечном сечении материала нормальные напряжения растяжения и сжатия вдоль волокон, а перерезывающая сила – касательные напряжения сдвига на скалывание вдоль волокон. Первые достигают максимальных значений в наружных слоях, наиболее удаленных от нейтральной плоскости, а вторые – в нейтральной зоне, которая теоретически располагается посредине высоты сечения [5,6].

В целях упрочнения материала при формировании пакета композиционной фанеры листы шпона необходимо использовать как армирующие слои и располагать на поверхности композиционного материала для предотвращения разрушения от касательных напряжений, поскольку шпон обладает большей прочностью при изгибе по сравнению со слоями из древесно-клеевой композиции. Целесообразно также использовать в наружных слоях армирующие прослойки, например из стеклоткани. Армирующие слои обеспечивают особую структуру материалу, передачу напряжений, а также стойкость к различным внешним воздействиям [7].

Несмотря на очевидную эффективность производства композиционной фанеры, в том числе армированной композиционной фанеры, ее производство в нашей стране не развито, а рациональные схемы ее сборки для различных сфер использования в настоящее время не определены. Поэтому представляет научный и практический интерес оценка эксплуатационных характеристик армированной композиционной фанеры и разработка технологии ее производства.

Данное научное направление соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: п. 6. Рациональное природопользование, критическим технологиям: п. 16. Технологии получения и обработки конструкционных материалов и наноматериалов.

Целью работы является исследование свойств и разработка технологии производства нового конструкционного композиционного материала – армированной композиционной фанеры на основе лущеного шпона, стеклоткани и внутренним слоем из древесных отходов для широкого использования в мебельной промышленности, строительстве и иных сферах.

Задачи исследования:

1. Разработка конструктивных вариантов схем сборки армированной композиционной фанеры.

2. Производство образцов армированной композиционной фанеры по основным схемам сборки и исследование их физико-механических свойств, выбор рациональных схем сборки.

3. Оценка эксплуатационных характеристик образцов армированной композиционной фанеры в соответствии с действующими стандартами на продукцию-аналоги (фанеру общего назначения и древесностружечные плиты).

4. Разработка технологии производства армированной композиционной фанеры.

Предлагаемые методы и подходы:

Основные научные и практические результаты получены с применением современных методов проведения экспериментальных исследований, а именно:

1. Прямой эксперимент по изготовлению образцов армированной композиционной фанеры с исследованием ее физико-механических свойств по действующим стандартам.

2. Комплексное исследование свойств композиционной фанеры на основе действующих нормативно-технических документов, а также на основе известных модернизированных методик.

3. Разработка технологии производства армированной композиционной фанеры.

Производство композиционной фанеры с внутренним слоем из отходов сопутствующего фанерного производства позволяет не только уменьшить расход дорогого древесного шпона на изготовление единицы продукции, но и эффективно утилизировать образующиеся отходы. Наружные слои композиционной фанеры состоят из взаимно перпендикулярных слоев лущеного шпона, а внутренним заполнением является клеевая композиция на основе измельченных древесных частиц по принципу изготовления древесностружечных плит. Основные свойства и технология производства композиционной фанеры освещены в работах [2,3,8-10].

Прочностные показатели композиционной фанеры уступают фанере общего назначения, что объясняется наличием «слабого» внутреннего слоя из древесно-клеевой композиции.

Одним из основных видов нагружения фанеры при ее эксплуатации является изгиб [4]. При воздействии изгибающей нагрузки слои в фанере (слои шпона, слой древесно-клевой композиции) деформируются как однородный монолитный материал с одним общим нейтральным слоем (нейтральной линией), так как они соединены между собой силами трения и адгезионными связями синтетического связующего.

Известно, что изгибающий момент, возникающий при изгибе, вызывает в поперечном сечении материала нормальные напряжения растяжения и сжатия вдоль волокон, а перерезывающая сила – касательные напряжения сдвига на скалывание вдоль волокон. Первые достигают максимальных значений в наружных слоях, наиболее удаленных от нейтральной плоскости, а вторые – в нейтральной зоне, которая теоретически располагается посредине высоты сечения [5,6].

В целях упрочнения материала при формировании пакета композиционной фанеры листы шпона необходимо использовать как армирующие слои и располагать на поверхности композиционного материала для предотвращения разрушения от касательных напряжений, поскольку шпон обладает большей прочностью при изгибе по сравнению со слоями из древесно-клеевой композиции. Целесообразно также использовать в наружных слоях армирующие прослойки, например из стеклоткани. Армирующие слои обеспечивают особую структуру материалу, передачу напряжений, а также стойкость к различным внешним воздействиям [7]. Стеклоткань повышает прочность материала при действии изгиба и сохраняет полностью целостность клеевых соединений.

Изготовление армированной композиционной фанеры может осуществляться по различным схемам сборки, при этом неизбежно будут изменяться и эксплуатационные характеристики материала. В дальнейших исследованиях рассмотрены основные варианты схем сборки, представленные на рис.1.

Схема №1	Схема №2
Схема №3	Схема №4

Рис. 1. Схемы сборки пакетов композиционной фанеры:

слои шпона; клеевая прослойка;

древесно-клеевая композиция; стеклоткань

В экспериментальных исследованиях для производства образцов композиционной фанеры использовался лущеный березовый шпон номинальной толщиной 1,5 мм и клеевая композиция на основе древесной резаной стружки фракционного размера 10/5. Общая номинальная толщина образцов составляла 12 мм, формат образцов 400400 мм². При расчете компонентов для внутреннего слоя был использован принцип расчета составляющих, применительно к производству древесностружечных плит.

Расчетная плотность внутреннего слоя составляла 700 кг/м³ (средняя плотность плитных конструкционных материалов). В качестве связующего (клея) была использована водостойкая фенолформальдегидная смола марки СФЖ-3014. Для изготовления внутреннего слоя в состав наполнителя (древесной стружки) был введен клей из расчета 12% от массы абсолютно сухой стружки. Для склеивания листов лущеного шпона между собой и связывания древесно-клеевой композиции с внутренними слоями шпона использовалась поверхностная намазка нужных листов шпона из расчета 120 г клея на 1 м² поверхности.

Для повышения транспортабельности пакета и предотвращения осыпания внутреннего слоя из древесно-клеевой композиции производилась холодная подпрессовка в холодном прессе П100-400 при удельном давлении 1 МПа.

Горячее прессование образцов велось в гидравлическом прессе П100-400 с применением ограничительных прокладок для фиксации толщины образца при следующих режимах:

- температура плит пресса – 135С;

- удельное давление прессования – 2 МПа;

- продолжительность выдержки под давлением – 6 мин.

После выгрузки готовой фанеры из пресса и нормализации в течение одних суток проводился ее раскрой на образцы для определения физико-механических свойств.

Предел прочности при изгибе определялся по ГОСТ 9625–87, предел прочности при отрыве перпендикулярно к пласти по ГОСТ 10636-90. Адгезионная прочность по границам контакта со стеклотканью определялась по методике оценки величины адгезионной прочности при отрыве листов шпона по ГОСТ 27325–87, применимой к композиционной фанере, с отрывом части наружного листа шпона. Физические показатели определялись по ГОСТ 9621-72 [11-14].

На рис. 1 представлен характерный вид разрушения образцов при изгибе.

Схема №1

Схема №2

Схема №3

Схема №4

Рис. 1. Характер разрушения образцов при изгибе

В схеме №1 (с двумя взаимно-перпендикулярными листами шпона в наружных слоях, без армирующих слоев) происходит комплексное разрушение образцов от нормальных напряжений и межслойного сдвига, вызванного касательными напряжениями. В схеме №3 (с одним листом шпона в наружных слоях, без армирующих слоев) происходит разрушение образцов от доминирующих касательных напряжений. В схеме №2 (с двумя взаимно-перпендикулярными листами шпона в наружных слоях, с армирующими слоями) и в схеме №4 (с одним листом шпона в наружных слоях, с армирующими слоями) происходит разрушение образцов, вызванное доминирующими нормальными напряжениями, при этом разрушения от касательных напряжений по границам слоев шпона, армирующей прослойки и древесно-клеевой композиции не наблюдается. Таким образом, наличие армирующего слоя приводит к значительному упрочнению материала.

Разрушение при отрыве перпендикулярно к пласти происходит в основном по древесно-клеевому слою или по граничным слоям армирующей прослойки и древесно-клеевой композиции со значительным вырывом древесных частиц (рис. 2).

Рис. 2. Характер разрушения образцов при отрыве перпендикулярно к пласти

Разбухание и водопоглощение армированной композиционной фанеры находится на уровне традиционных древесно-плитных материалов, изготовленных на основе водостойкой синтетической смолы.

При введении армирующей прослойки несколько снижается потеря массы при горении, так как наличие стеклоткани препятствует распространению открытого огня и повышает огезащищенность материала.

Таким образом, высокие прочностные показатели, высокое межфазное взаимодействие на границе раздела слоев шпона, армирующей прослойки и древесно-клеевой композиции свидетельствуют о надежности и достаточной несущей способности армированной композиционной фанеры, которая эффективно может эффективно использоваться в качестве конструкционного материала в различных сферах, прежде всего, в строительстве, мебельном производстве и др.

Отличие технологического процесса производства армированной композиционной фанеры от традиционного производства фанеры общего назначения начинается на стадии создания межоперационных запасов, хранения и подготовке к использованию внутреннего слоя. При изготовлении армированной композиционной фанеры необходимо создание комплекса оборудования, на котором по конвейерной технологии будет происходить формирование пакетов и их горячее прессование. Необходимое оборудование для выполнения операций по подготовке пакета фанеры подобрано в соответствии с рекомендациями специализированной литературы [15-18]. При этом на единой линии поточным способом осуществляются все технологические операции от формирования пакета до выхода спрессованной продукции.

Технологический процесс при этом должен включать следующие операции.

1. Комплекс предварительных операций по подготовке древесного шпона, древесной стружки, клеевых материалов.

2. Нанесение клея на промежуточные слои шпона.

3. Формирование наружного слоя фанеры путем укладки сухого наружного слоя, слоя стеклоткани и перпендикулярного промежуточного слоя с клеем.

4. Насыпка на сформированные листы шпона внутреннего слоя из стружки с клеем.

5. Контроль массы пакета.

6. Накрывание пакета слоем шпона с клеем и перпендикулярным слоем без клея.

7. Холодная подпрессовка пакета.

8. Горячее прессование брикета.

9. Комплекс послепрессовой обработки фанеры (охлаждение, форматная обрезка, шлифование, сортировка и др.).

Выводы и рекомендации.

1. Предложена технология производства нового конструкционного материала – армированной композиционной фанеры с внутренним слоем на основе древесных отходов, отличающаяся поточностью, простотой и доступностью применяемого оборудования.

2. Проведенные экспериментальные запрессовки подтвердили технологическую возможность производства армированной композиционной фанеры на существующем фанерном оборудовании. При этом по основным физико-механическим характеристикам композиционная фанера удовлетворяет требованиям стандарта на продукцию-аналог – фанеру общего назначения. Армированная композиционная фанера может эффективно использоваться как в мебельной промышленности для конструкционных элементов, так и в строительстве (обшивка, опалубка и др.). Для наиболее ответственных элементов конструкций рекомендуется использование второй схемы сборки, возможно еще большее упрочнение материала путем дополнительного введения взаимно перпендикулярных слоев шпона и армирующих прослоек.

3. Организация производства композиционной фанеры позволяет утилизировать отходы сопутствующего фанерного производства, экономить древесный шпон, снижать производственные затраты и себестоимость при выпуске конкурентоспособной продукции, что позволяет сделать вывод о целесообразности производства композиционной фанеры, особенно на фоне современного экономического положения в мире.

4. Проект имеет высокую социальную и экономическую эффективность. Реализация проекта по организации производства композиционной фанеры на основе древесных отходов в нашем регионе будет способствовать развитию приоритетных национальных программ по глубокой переработке древесины лесной отрасли, увеличению числа рабочих мест и снижению уровня безработных, сохранению природных запасов древесины и снижению уровня свалок отходов деревопереработки в области.

5. Проект способствует привлечению инвесторов в область и возможность развития существующих деревообрабатывающих производств, а так же организацию новых предприятий.

Список использованной литературы

1. Угрюмов С.А. Обоснование экономической эффективности производства композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, А.С. Свешников // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Экономика и управление. –Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012. - №2(16). –с. 38-45.

2. Угрюмов С.А. Исследование свойств композиционной фанеры с внутренним слоем из древесной стружки / С.А. Угрюмов // Вестник КГТУ: Периодический научный журнал. –Кострома: КГТУ, 2005. -№11. –с.110-111.

3. Угрюмов С.А. Оценка адгезионной прочности и межфазного взаимодействия в структуре фанеры с внутренними слоями из древесно-клеевой композиции // С.А. Угрюмов, А.С. Свешников // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2014. –№ 1 (21). –С. 53-61.

4. Сопротивление материалов: учебное пособие / Н.А. Костенко, С.В. Балясникова, Ю.Э. Волошановская и др.; под. ред. Н.А. Костенко. – М.: Высш. шк., 2000. – 430 с.

5. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев; отв. ред. Г.С. Писаренко.– 2-е изд., перераб. и доп. – Киев: Наук. думка, 1988. – 736 с.

6. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учебник для втузов / В.И. Феодосьев. – 9-е изд., перераб. – М.: Наука, 1986. – 512 с.

7. Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение / А.А. Батаев, В.А. Батаев. – М.: Логос, 2006. – 398 с.

8. Свешников А.С. Технологические особенности производства композиционной фанеры / А.С. Свешников, С.А. Угрюмов // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы международной научно-технической конференции. –Кострома: КГТУ. 2012. – с. 126-127.

9. Свешников А.С. Технологические рекомендации по производству композиционной фанеры на основе отходов деревопереработки / А.С. Свешников, С.А. Угрюмов // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. – СПб: СПбГЛТУ, 2011. – с.200-205.

10. Угрюмов С.А. Экспериментальное исследование прочностных характеристик композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, А.С. Свешников // Лес-2011: сборник научных трудов по итогам XII международной научно-технической интернет-конференции. –Брянск: БГИТА, 2011. –Выпуск 29. – с. 139-142.

11. ГОСТ 3916.1-96. Фанера общего назначения с наружными слоями из шпона лиственных пород. Технические условия. – М.: Издательство стандартов, 1996. – 12 с.

12. ГОСТ 9621-72. Древесина слоистая клеёная. Методы определения физических свойств.- М.: Издательство стандартов, 1978. – 6с.

13. ГОСТ 9624-93. Древесина слоистая клеёная. Методы определения предела прочности при скалывании.- М.: Издательство стандартов, 1994. – 10с.

14. ГОСТ 9624-93. Древесина слоистая клеёная. Методы определения предела прочности и модуля при статическом изгибе.- М.: Издательство стандартов, 1982. – 4с.

15. Мельникова Л.В. Технология композиционных материалов из древесины / Л.В. Мельникова, 2-е изд., испр. и доп. – М.: МГУЛ, 2004. – 234 с.

16. Мелони Т. Современное производство древесностружечных плит и древесноволокнистых плит / Т. Мелони; пер. с англ. А.А. Амалицкого, Е.И. Карасева. – М.: Лесная промышленность, 1982. - 416 с.

17. Справочник по производству древесностружечных плит / И.А. Отлев, Ц.Б. Штейнберг, Л.С. Отлева и др. – М.: Лесная промышленность, 1990. – 384 с.

18. Справочник по производству фанеры / А.А. Веселов, Л.Г. Галюк, Ю.Г. Доронин и др.: под ред. канд. техн. наук Н.В. Качалина. – М.: Лесная промышленность, 1984. – 432 с.

Код для цитирования: Скопировать