Лекция 4.

ПРЕССОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ (БИОПЛАСТИКИ) – 2 Ч.

1 Химический состав и строение древесины.

2 Классификация прессованных материалов

3 Связующие и добавки, применяемые в промышленности для изготовления древесных композитов

4 Особенности технологии изготовления и испытания.

Переработка древесины - одна из важнейших отраслей промышленности. В деревообрабатывающей промышленности в год образуется около 160 млн. м³ измельченных древесных отходов. В связи с растущими требованиями комплексного использования древесины целесообразно применять древесные отходы в производстве древесно–композиционных материалов.

1 Химический состав и строение древесины.

Древесина — это продукт биологического, а именно расти­тельного происхождения. Она представляет собой очень слож­ный комплекс, как в анатомическом, так и в химическом от­ношении.

Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99% общей массы). Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49% углерода, 44% кислорода, 6% водорода, 0,1–0,3% азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть – зола. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний и другие элементы.

Но в общем можно сказать, что в древесине наших обычных хвойных пород содержится больше лигнина (27—28 %) и меньше гемицеллюлоз (20—25%), чем в лиственных (соот­ветственно, 18—22 и 25—40%). Хвойные породы содержат больше гексозанов (18—13%) и меньше пентозанов (8—12%), чем лиственные (соответственно, 2—5 и 20—30 %).

Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы.

Целлюлоза – природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Формула целлюлозы (C₆H₁₀O₅)n, где n – степень полимеризации, равная 6000–14000. Это очень стойкое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы – тончайшие волоконца – называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемицеллюлозы, а также вода.

Лигнин – полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лигнин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и её кислых солей.

Функциональные группы лигнина: метоксильные группы –ОСНз – одни из наиболее характерных функцио­нальных групп лигнина.

Гидроксильные группы в лигнине подразделяются на фенольные и спиртовые. Фенольные гидроксилы связаны с аро­матическим кольцом. Они имеют кислый характер и взаимо­действуют со щелочами с образованием фенолятов, дают сложные и простые эфиры. Спиртовые гидроксильные группы находятся в боковых пропановых цепях. В зависимости от расположения они могут быть первичными (в –положении) и вто­ричными (в –положении).

Карбонильные группы в лигнине подразделяются на альдегидные и кетонные.

Гемицеллюлозы – группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C₅H₈O₄)n и гексозаны (C₆H₁₀O₅)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60–200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой. В отличие от целлюлозы гемицеллюлозы более доступны воздей­ствию разбавленных растворов минеральных кислот и щелочей. При кипячении с разбавленными кислотами гемицеллюлозы гидролизуются и переходят в простые сахара. Цепи гемицеллюлоз могут быть линейными и разветвленными.

В настоящее время установили, что гемицеллюлозы, в основном, являются не однородными полисахаридами, а смешанными. Обычно мо­лекула такого полисахарида содержит какой–то моносахарид в преимущественном количестве, но кроме него в главную цепь макромолекулы или в виде боковых ответвлений входят звенья других моносахаридов или уроновых кислот. Так, на­пример, установлено, что в древесине могут содержаться раз­личные ксиланы (имеющие в качестве основного моносахарида звенья D–ксилозы): глюкуроноксилан, арабиноглюкуроноксилан; различные маннаны (имеющие в качестве основного моносахарида звенья D–маннозы): глюкоманнан, галактоглюкоманнан; смешанный полисахарид арабиногалактан и др.

Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (танинов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире. Группу веществ, извлекаемых органическими растворителями, принято называть смолами.

2 Классификация прессованных материалов

Как известно, материалы, полностью или частично изготовленные из древесины - древесные материалы. Их разделяют на лесоматериалы и древесные композиционные материалы. Лесоматериалы - это материалы из древесины, сохранившие ее природную физическую структуру и химический состав. То есть, это натуральная древесина без всяких изменений.

Древесно - композиционные материалы (ДКМ) - это материалы, получаемые путем обработки натуральной древесины давлением при повышенных температурах, пропиткой химическими веществами, склеиванием и т.п. То есть, это материалы из древесины, при обработке которой меняется ее природная физическая структура и химический состав. Эти два вида древесных материалов различают в зависимости от строения древесины в конечном продукте.

К ДКМ относят цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанера, и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты и др.

Клееная древесина.

Фанера.

Фанерные плиты.

Древесные слоистые пластики - этот композиционный материал изготавливают в процессе термической обработки под большим давлением из листов шпона, склеенных синтетическими клеями.

Древесностружечные плиты (ДСтП) -получают путем горячего прессования древесных частиц, смешанных со связующим.

Древесностружечные плиты классифицируют по способу прессования, конструкции, виду измельченной древесины, применяемому связующему, облицовочному материалу. По способу прессования различают древесностружечные плиты плоского прессования и экструзионные, т. е. полученные выдавливанием. Первые изготовляют с приложением прессующего усилия перпендикулярно плоскости плиты, а вторые - параллельно ей. По конструкции плиты плоского прессования выпускаются одно-, трех-, пяти- и многослойными; экструзионные - однослойными сплошными и с внутренними каналами. В однослойных плитах размеры древесных частиц и содержание связующего одинаковы по всей толщине плиты. В трех- и пятислойных плитах один или оба наружных слоя (с каждой стороны) изготовляют из более тонких частиц и с повышенным содержанием связующего по сравнению с внутренними слоями.

Физико-механические свойства ДСтП в основном зависят от объемной массы, формы и размеров древесных частиц, количества и качества связующего, конструкции и др. ДСтП характеризуются следующими показателями: влажность 8%; водопоглощение 12 - 88%; коэффициент теплопроводности 0,06 - 0,22 ккал/(мч°С); удельная теплоемкость 1,7 - 1,9 кДж/(кгК); разбухание (за 24 часа) по толщине 5 - 30%; предел прочности при растяжении перпендикулярно плиты 0,25 - 0,4 Мн/м (2,5 - 4 кг/см).

Древесноволокнистые плиты (ДВП) -слоистый материал, изготовленный в процессе горячего прессования или сушки сформированной в виде ковра массы из древесных волокон.

Массы древесные прессовочные (МДП) - смеси, точнее, готовые композиции, полученные в результате совместной обработки частиц древесины и синтетических смол. МДП предназначаются для изготовления методом горячего прессования деталей машин, строительных деталей и товаров народного потребления

Мелкодисперсная фракция (МДФ) – представляет собой плиту из запрессованной вакуумным способом деревянной пыли. Связующим веществом при этом является лигнин, который выделяется при нагревании из древесины.

Композиции древесно-клеевые - эти смеси состоят из измельченной древесины и связующего; предназначены для изготовления формованной тары. Для приготовления смеси используют стружку длиной 10-20 мм, шириной 1-3,5 мм и толщиной 0,1-0,4 мм из древесины хвойных и мягких лиственных пород, а также связующее на основе мочевиноформальдегидных смол.

Арболит - строительный материал, относящийся к категории легких бетонов, иногда его называют «деревобетоном».

Цементно-древесностружечные плиты (ЦДСтП) - строительный материал, который изготавливают прессованием древесных частиц (таких же, как и для ДСтП) с портландцементом и химическими добавками.

Ксилолит - строительный материал, состоящий из смеси опилок или древесной муки с магнезиальным вяжущим. Используется в виде плиток для покрытия полов, отделки стен и других целей. Ксилолит - износостойкий, негорючий, водоупорный материал высокой прочности.

Древесина термомеханической модификации - иначе этот вид продукции называют прессованная древесина (ДП). При прессовании (обычно в плоскости поперек волокон) предварительно пропаренной или нагретой древесины происходит изменение макроструктуры древесины, увеличение плотности и улучшение показателей связанных с ней свойств.

Древесина химико-механической модификации. При этом способе модификации древесину предварительно (или одновременно) обрабатывают аммиаком, мочевиной или другими веществами, а затем уплотняют.

Лигнамон - материал из древесины, подвергнутой обработке аммиаком, прессованию и сушке.

Древесина термохимической модификации - материал, получаемый пропиткой древесины мономерами, олигомерами или смолами и последующей термообработкой для полимеризации или поликонденсации пропитывающего состава.

Древесина радиационно-химической модификации. В данном случае полимеризация введенных в древесину веществ происходит под воздействием ионизирующих излучений. Древесину пропитывают метилметакрилатом, стиролом, винилацетатом, акрилонитрилом и другими мономерами, а также их смесями. Такой способ модификации также улучшает формоустойчивость, механические и эксплуатационные свойства древесины. Модифицированная древесина используется для паркета, деталей машиностроения и других целей.

Древесина химической модификации - древесина, подвергнутая обработке аммиаком, уксусным ангидридом или другими веществами, изменяющими тонкую структуру и химический состав древесины

Термопластичные древесные плиты. Новейшей альтернативой традиционным древесным плитам являются термопластичные древесные композиционные материалы (ДПКТ). Они изготавливаются из смеси древесной муки или древесного волокна, термопластичных полимеров (полиолефинов, ПВХ, полистирола) с добавлением некоторых функциональных и технологических аддитивов, например пигментов.

3 Связующие и добавки, применяемые в промышленности для изготовления древесных композитов

Наряду с технологической щепой и стружкой необходимым компонентом для изготовления древесных композитов являются химические материалы – связующие, которые обладают способностью под воздействием температуры и давления склеивать древесные частицы.

Наиболее распространенными связующими веществами, применяемыми для изготовления ДСтП различного назначения, являются карбамидоформальдегидные олигомеры благодаря ряду преимуществ: способности к быстрому отверждению в присутствии ускорителей, сочетанию сравнительно высокой концентрации с пониженной вязкостью. Они обеспечивают высокую прочность ДСтП, используемых в производстве мебели и частично в строительстве, уступая другим смолам главным образом в стойкости к одновременному и длительному воздействию влаги и повышенной температуре. Карбамидоформальдегидные смолы примерно в два раза дешевле фенолоформальдегидных.

Фенолоформальдегидные олигомеры обеспечивают образование клеевых соединений, способных хорошо сопротивляться переменным воздействиям повышенной влажности и температуры окружающей среды. Однако они требуют применение более высоких температур прессования плит или удлинения продолжительности этого процесса. Кроме того, существенное улучшение показателей водостойкости достигается только при введении более 15% смолы. Применение фенолоформальдегидных смол для ДСтП ограничено также неудовлетворительными санитарно-гигиеническими свойствами, связанными с токсичностью фенола. Меламиноформальдегидные олигомеры обладают всеми преимуществами карбамидо- и фенолоформальдегидных и не имеют их недостатков. Меламиноформальдегидные смолы обладают высокой водо- и теплостойкостью. Однако из-за ограниченного объема производства и дороговизны меламина они не нашли широкого применения для изготовления ДСтП.

В развитии древесных композитов важную роль сыграло изобретение и внедрение синтетических полимеров (смол). Разработаны следующие смолы: невакуумированная низкотоксичная смола (КФ-НВ) и безметанольная невакуумированная смола (СКФ-НМ) на основе карбамидоформальдегидного конденсата (КФК). КФС марки КФ-НВ успешно освоена на ряде предприятий по производству фанеры, гнутоклеёных деталей мебели и древесностружечных плит (ДСП).

Установлены требования к величинам основных показателей КФК, вырабатываемых химическими предприятиями: массовое содержание общего формальдегида должно составлять не менее 60%; общего карбамида - не менее 25; метанола - не более 0,2; хромовых производных (уронов)- 9 - 15; метанольных групп – 20 - 25%. Выполнение этих требований обеспечивает возможность получения высококачественных КФС и производства высоко­качественной продукции на их основе.

ОАО "Тольяттиазот", г. Тольятти выпускает новую, бесфенольную (экологически чистую) водостойкую смолу с высокими клеящими и санитарно-гигиеническими свойствами. Ей присвоена марка СДЖ-Н (смола диановая жидкая низкотоксичная). Эта смола - продукт реакции поликонденсации диана, или дифенилолпропана с формальдегидом в щелочной среде. Физико-химический анализ состава смолы СДЖ-Н показал, что массовое содержание (%) сухих веществ в ней составляет 41 - 43; метилольных групп (в пересчёте на абс. сух. смолу) - 31,5 - 39; свободного фенола - 0; свободного формальдегида -0,03-0,05 (жидкое состояние) и 0,1 -0,2 (отверждённое состояние); щёлочи - 6,6-7,1.

Для приготовления клеев на основе смолы СДЖ-Н используют разно­образные по химическому составу вещества органического и минерального происхождения. Так, резорциноформальдегидные смолы Р-1 и РМ-1 обеспечивают ускорение процесса отверждения клея.

Вещества, повышающие огнестойкость древесных пластиков

Вещества, повышающие влагостойкость древесных пластиков

В состав ДСтП применяют введение 0,5 - 1,0% гидрофобизаторов. В качестве гидрофобных веществ при изготовлении древесных плитных материалов можно использовать различные воска: парафин, церезин, озокерит. Эмульгаторами этих веществ являются мыло, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и др. Лучшим эмульгатором признан ПАВ марки ОП-7. Содержание их в плитах обычно не превышает одного процента веса, так как эти вещества ослабляют связь между волокнами, тем самым понижая плотность плит. Существует методика приготовления парафиновой эмульсии в ультразвуковом диспергаторе АД-6. Эмульсия имеет следующий состав (в % по массе): парафин технический - 24, хозяйственное мыло - 1, вода - 75.

4 Особенности технологии изготовления и испытания.

Технологический процесс производства ДСП отличается стабильностью и последовательностью выполняемых операций независимо от вида изготовляемых плит.

Технологический процесс предусматривает в общем виде выполнение следующих операций:

1. Доставку, выгрузку, укладку и хранение сырья (кругломерная древесина или технологическая щепа).

2. Сортировку сырья по виду и породам, сортировку технологической щепы.

3. Разделку кругломерного сырья на мерные отрезки или переработку его в технологическую щепу или непосредственно в стружку.

4. Переработку мерных отрезков или технологической щепы в стружку.

5. Калибрование стружки по длине и ширине или измельчение плоской и игольчатой стружки в мелкие древесные частицы (микростружку).

6. Сушку древесных частиц (стружки).

7. Сортировку стружки с целью разделения ее по фракциям (потокам) или для отделения некондиционных древесных частнц.

8. Приготовление связующего и добавок.

9. Дозирование стружки, связующего и добавок и смешивание компонентов.

10. Формирование стружечного ковра (пакетов).

11. Разделение непрерывного стружечного ковра на пакеты и контроль нх массы.

12. Предварительную подпрессовку стружечного ковра или пакетов.

13. Загрузку подпрессованных стружечных брикетов в пресс и горячее прессование плит.

14. Охлаждение, кондиционирование и выдержку плит.

15. Форматную обрезку, шлифование и сортирование плит.

16. Облицовывание плит бумажно-смоляными пленками.

17. Раскрой плит на спецификационные заготовки.

В зависимости от вида применяемого сырья и вида плит некоторые из перечисленных операций могут отсутствовать или идти в другой последовательности. Например, операция 5 «Калибрование и измельчение стружки» часто выполняется после сушки стружки (операции 6) или даже после сортирования стружки (операции 7). Операции 11 и 12 могут меняться местами в зависимости от конкретной схемы главного конвейера, а операция 16 выполняется не на всех предприятиях и т. д.

Применяемое оборудование связано между собой различными видами непрерывного транспорта, образуя механизированные, полуавтоматические и автоматические линии, которые в целом составляют полуавтоматическое производство — цех, завод. Для обеспечения непрерывной работы линий и всего производства в целом на стыке отдельных участков предусматривается образование межоперационных запасов стружки, в основном между операциями 4, 5 и 6 и между операциями 7 и 9. Существует большое разнообразие технологических схем и способов производства плит, которые невозможно четко разграничить между собой. Условно можно разделить способы производства по двум характерным признакам: по конструкции плит — производство однослойных, пятислойных и многослойных плит; по способу формирования стружечного ковра и горячего прессования — формирование ковра и прессование плит на поддонах; формирование ковра на поддонах (ленте) и прессование плит без поддонов; формирование ковра и прессование плит на гибких проницаемых поддонах. Именно эти два основные признака определяют технологический процесс и состав оборудования для производства плит.

При изготовлении однослойных и многослойных плит технологический процесс отличается наибольшей простотой, так как навсех технологических операциях применяется однотипное единичное оборудование. Эти производства различаются между собой только операцией (и, естественно, применяемым оборудованием) формирования стружечного ковра. Вследствие более совершенного процесса формирования стружечного ковра многослойные плиты имеют значительные преимущества перед однослойными, и поэтому производство многослойных плит довольно широко применяется в зарубежной практике.

Дата добавления: 2015-07-07