Формирование клееных материалов из уплотненной древесины осины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат технических наук Усачева, Валентина Леонидовна

• Усачева, Валентина Леонидовна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Усачева, Валентина Леонидовна

ВВЕДЕНИЕ.

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Строение и свойства древесины осины.

1.2. Способы повышения физико-механических свойств древесины.

1.3. Анализ процессов и явлений, имеющих место при склеивании древесины.

1.4. Выводы. Цель и задачи исследований.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1.Общие положения.

2.2. Характеристика сырья и материалов.

2.3. Оборудование и приборы.

2.4. Методика проведения испытаний и однофакторных экспериментов.

2.4.1. Методики физико - механических испытаний древесины осины.

2.4.2. Методика исследования поверхностной пористости древесины осины.

2.4.3. Методика исследования глубины проникновения связующего в древесину.

2.4.4. Методы исследования кинетики нагрева древесины.

2.4.5. Методика исследования деформации древесины.

2.4.6. Методика определения поверхностных свойств подложки.

2.5. Методика планирования и обработки результатов экспериментальных исследований.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДРЕВЕСНОЙ

ПОДЛОЖКИ И ЖИДКОГОАДГЕЗИВА.

3.1 Основные положения теории адгезии и смачивания.

3.2. Постановка задачи.

3.3. Методика изучения энергетических характеристик исследуемых материалов.

3.4. Результаты исследований и их анализ.

3.5. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СКЛЕИВАНИЯ ЦЕЛЬНОЙ

ДРЕВЕСИНЫ ОСИНЫ.

4.1. Исследование влияния уплотнения на свойства древесины.

4.1.1. Исследование кинетики нагрева древесины осины.

4.1.2. Деформативные свойства древесины осины.

4.1.3. Прочностные показатели древесины осины.

4.2. Исследование поверхностной пористости древесины осины.

4.3.Исследование процесса проникновения адгезива в древесину.

4.4.Обоснование давления при склеивании.

4.5. Исследование прочности древесины при скалывании по клеевому слою.

4.6. Выводы.

5.ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СКЛЕИВАНИЯ ЦЕЛЬНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ОСИНЫ.

5.1. Обоснование факторов, существенно влияющих на формирование клеевых соединений.

5.1.1. Постоянные и переменные факторы при проведении экспериментов.

5.1.2. Оценка уровня шума при планировании эксперимента.

5.1.3. Матрица планирования эксперимента по методу случайного баланса и результатов ее реализации.

5.2. Определение рациональных параметров и режима склеивания щитов и балок из цельной древесины.

5.2.1. Постоянные и переменные факторы при проведении экспериментов.

5.2.2.Матрица планирования экспериментов и статическая оценка результатов ее реализации.

5.2.3. Анализ результатов экспериментов.

5.2. Экономическая эффективность производства сортиментов из уплотненной древесины.

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование клееных материалов из уплотненной древесины осины»

В последнее время наблюдается изменение породного состава лесов в сторону увеличения количества площадей занимаемых мягко-лиственными породами, в частности осиной, которая является дешевым, мало дефицитным и быстро возобновляемым сырьем. Но использование натуральной древесины осины ограничено в связи с низкими показателями плотности и прочности, высокими деформативными свойствами. Повышение эксплуатационных свойств древесины осины может быть достигнуто путем ее уплотнения.

Новые материалы, полученные в результате улучшения технических свойств натуральной древесины, находят широкое применение в машиностроении, строительстве, мебельной промышленности и других отраслях.

Необходимость в расширении ассортимента материалов из осины диктуется все возрастающими потребностями народного хозяйства.

Таким образом, задача создания материала из уплотненной древесины осины, которая после прессования приобретает необходимые свойства, сравнимые с другими твердыми породами, является актуальной. Одним из путей ее решения является создание клееного бруса для строительных элементов и клееного щита для изделий мебели. Создание клееного бруса и щитов со свойствами сравнимыми с другими породами, предполагается достичь путем, как предварительного уплотнения древесины осины, так и сокращения расхода клея.

Цель работы. Создание клееных материалов требуемых свойств из маловостребованной древесины осины.

Объектом исследования являются древесина осины и клееные материалы на ее основе.

Предметом исследования являются свойства уплотненной древесины осины и клееных материалов на ее основе.

Научной новизной обладают;

1. Модели деформирования древесины осины при ее уплотнении, в зависимости от деформации и температуры древесины при ее пьезотерми-ческой обработке;

2. Термодинамические характеристики поверхности древесины осины с различной степенью уплотнения; с увеличением плотности в диапазоо не от 480 до 675 кг/м , улучшается способность древесины смачиваться связующим, существенно увеличивается поверхностная твердость древесины;

3. Результаты испытаний физико-механических свойств древесины осины в радиальном и тангенциальном направлениях при различной температуре и степени уплотнения;

4. Результаты исследований изменения структуры древесины с различной степенью уплотнения. При уплотнении древесины на 30% начинается разрушение ее структурных элементов.

Научные гипотезы, выносимые на защиту:

1. Уплотнение древесины осины в диапазоне от 0 до 30% не только повышает ее прочность, но и поверхностную твердость, а так же улучшает способность к смачиванию;

2. Снижение модуля упругости древесины при нагревании приводит к существенному уплотнению преимущественно поверхностных слоев древесины.

Достоверность сформулированных в диссертации гипотез и выводов подтверждается результатами экспериментальных исследований, применением современных методов научного поиска, включая сканирующую электронную микроскопию, использованием для анализа упругих свойств древесины теории наследственности и реологических моделей, положительными результатами промышленной апробации. Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, их адекватность подтверждена соответствующей проверкой.

Практическая значимость работы:

Разработан режим склеивания уплотненной древесины осины, для изготовления клееного бруса для строительных элементов, клееного щита для Ф мебельной промышленности

Применение в промышленности разработанного материала с использованием древесины осины позволит:

1. Увеличить сырьевую базу лесопромышленного производства и эффективность лесозаготовок путем применения маловостребованной древесины осины.

2. Уменьшить себестоимость процесса склеивания древесины осины путем снижения расхода клея и энергоемкости обработки.

Теоретические, методологические и информационные основы исследования. Информационную базу исследования составили материалы научных исследований специалистов, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, сведе-' ния из сети Интернет.

Исследования проводились с использованием принципов системного подхода, включающего методы теории наследственности, термодинамики, теории вероятности. Инструменты и приборы, выбранные для экспериментов, соответствовали по точности современным требованиям.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:

- определены поверхностные свойства и структура уплотненной древесины осины;

- разработана математическая модель процесса склеивания уплотненной древесины осины;

- определен верхний предел уплотнения для древесины осины без разруше-^ ния ее структурных элементов;

- разработаны режимы склеивания уплотненной древесины осины.

Место проведения: Работа выполнена в Санкт - Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова на кафедре технологии деревообрабатывающих производств.

Апробация работы: Результаты исследований докладывались на научно- технических конференциях Санкт - Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова факультета МТД: международной научно - практической конференции молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (Санкт-Петербург, СПбГЛТА, 2004.); ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии (СПбГЛТА, 2005). Промышленная проверка разработанных режимов склеивания проведена на ЗАО «Технопарк ЛТА».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, библиографического списка из 98 наименования, содержит 142 страницы основного текста, 37 рисунков, 55 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Усачева, Валентина Леонидовна

5.3. Выводы

На основании приведенного выше анализа результатов получения рационального значения прочности при скалывании можно сделать следующие выводы:

1. Процесс холодного склеивания уплотненной древесины осины достаточно точно описывается математической моделью: в кодированном виде: У = 7,09 + 0,368Х 1+ 0,238Х2+ 0,218Х3- 0,291Х,Х2- 0,175Х2Х3 в натуральном виде: У = 0,0766я+0,7655р+0,0918у-0,0582яр-0,07яу-11,018

2. В результате проведенного поиска с учетом предыдущих экспериментов установлены рациональные условия и режимы склеивания уплотненной древесины осины.

3. Основными факторами, определяющими прочность склеивания, являются: расход клея 200 г/м , давление склеивания 1МПа и степень уплотнения древесины 20%.

4.Уплотнение древесины осины подтвердило априорные сведения о производстве древесины осины наравне с древесиной березы, причем утилизовать уплотненную древесину осины экономически целесообразно.

Заключение

Результаты промышленной апробации позволили сделать вывод: склеенные уплотненные образцы по данным режимам соответствует нормативным требованиям.

Зам. генерального директора по деревообработке ' ЛО-^Ч / Вотчицев Ю.В.

Профессор кафедры ТДП, СПбГЛТА С^^С^г Чубинский А.Н:

Аспирант кафедры ТДП, СПбГЛТАУсачева В.Л.

1<К

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Усачева, Валентина Леонидовна, 2006 год

1. Ахназарова Л.Дафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высшая школа, 1985. 326с.

2. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов. М.: Лесная промышленность, 1978. 224 с.

3. Белянкин Ф.П., Яценко В.Ф., Дыбенко Г.И. Прочность и деформативность слоистых пластиков. Киев: Наукова думка, 1964 219 с.

4. Берлин А.А. Исследования в области химии и технологии облагороженной древесины и древесных пластических масс, М.: Гослесбумиздат, 1950. 172 с.

5. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974. 392 с.

6. Бирюков В.Г. Проницаемость шпона смолой С 1 и ее влияние на прочностные свойства фанеры Технология древесных пластиков и плит. М.МЛТИ,1976.-С.26-29.

7. Богданович.П.И. Расчеты в планировании эксперимента. Л. ЛТА, 1978.-80.

8. Боровиков A.M., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. М.: Лесная промышленность, 1989.-293 с. Ю.Ващев П.В. лекции для студентов допиши про уплотнение. И. Ваш;ев П.В., Модин П.А.«Рациональный способ уплотнения древесины» Паучные труды ЛТА

9. Вопросы теории, технологии и применения уплотненной древесины,122 стр., 1968 Г.;Л стр.51.

10. Ваш,ев П.В. Совершенствование технологии уплотнения древесины с целью повышения ее физико механических свойств Модифицированная древесина и древесные пластики. Л.: ЛТА, 1974 с. 42-44. 140

11. Древесина. Метод определения предела прочности при статическом изгибе. 15. ГОСТ 16483.3-72 Древесина. Метод определения условного предела прочности при сжатии поперек волокон. 16.Г0СТ 16483.5

12. Древесина. Методы определения предела прочности при скалывании вдоль волокон. 17. ГОСТ 7016-82 Древесина. Метод определения шероховатости» 18.ГОСТ твердости» 19.Г0СТ 15613-70 Древесина клееная. Метод испытания клеевого 16483.17-81 «Древесина. Метод определения статической соединения на скалывание вдоль волокон».

13. Дерево номера. Осина. Дерево.Яи. Май-июнь 2003 г.- с. 16-19.

14. Древесина. Показатели физико механических свойств малых чистых образцов. Таблицы стандартных справочных данных 69-84. М.: Стандартиздат, 1984. 12 с.

15. Дубровин В.И., Кокарев Г.Д. Использование дубовой и буковой древесины. (Обзор), М.: 1969, 54 с.

16. Ермолин В.Н. Модель древесины как объекта пропитки. Лесной журнал, 1997,№З.С. 7 5 7 9

17. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Наука, 1977. 352 с. 25.3имон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание.М.: Химия, 1974.- 413с.

18. Израелит А.Б Исследование уплотнения древесины и древесных материалов в связи с проектирование нрессующего оборудования. Научные труды ЛТА. Модифицированная древесина и древесные пластики. Реферативная информация о законченных научно-исследовательских работах в вузах лесотехнического профиля РСФСР. Выпуск

19. Ленинград 1974 г.; 95 стр.; стр. 13. 141

20. Израелит А.Б., Янтовский Л.И. Анализ целесообразности уплотнения при его естественном представлении. Научные труды

21. Исследование свойств и применение уплотненной и модифицированной древесины. Л.:ЛТА, 1971.-15С.

22. Ковальчук Л.М. Технология склеивания. М.: Лесная промышленность, 1973.-208с.

23. Ковригин Г.С. Газопроницаемость древесины березы и осины. Изучение природы лесов Сибири. Красноярск, 1972. 297 303.

24. Куликов В.А., Чубов А.Б. Технология клееных материалов и плит: Учебник для вузов. М.: Лесная промышленность, 1984. 334 с.

25. Леонтьев Н.Л. Техника статистических вычислений. М.: Лесная промышленность, 1965. -250 с.

26. Лесопромышленный комплекс России на рубеже XXI века./ Тезисы докладов 18-21 октября, СПб., Таврический дворец, 1999г. 20-22.

27. Макаренков В.Н. Влияние температуры и влажности на механические свойства древесины осины и черной ольхи.: Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Л., 1956. 18 с.

28. Михайлов Л.Е Осина.М.: Агропромиздат,1985.- 72 с. 142

29. Михаил О А.Н. Роль давления при склеивании древесины. Л.: ЛТА, Б 1966.-39 с. 42.МОВНИН М.С, Ерошкин А.Н., Модин Н.А.,Израелит А.Б. Некоторые вопросы теории создания рациональных методов получения прессованной древесины и древесных пластиков Пластификация и модификация древесины. Материалы Всесоюзного научно-технического совещания. Рига: Зинатне, 1970.-С. 11-15. 43.МОВНИН М.С, Ерошкин А.Н., Модин Н.А., Мурзич P.M., Осипова В.И. Износостойкость уплотненной древесины. Научные труды №

30. Модифицированная древесина и исследование ее свойств. Л.:ЛТА, 1968.-19с. 44.МОВНИН М.С, Израелит А.Б., Литовский Л.И. К определению 139. оптимальной степени уплотнения древесины. Научные труды Ш Исследование свойств и применение уплотненной и модифицированной древесины. Л.:ЛТА, 1971.- 15 с.

31. Модин Н.А. Исследование радиального и непрерывно-периодического методов прессования древесных материалов. Диссертация на соискание ученой степени доктора т.н. Л.: ЛТА, 1972.

32. Модин Н.А. Радиальное прессование цельной древесины Исследование свойств и применение уплотненной модифицированной древесины. Научные труды ЛТА №139. Л.: ЛТА, 1971.- 30-35.

33. Модин Н.А. Уплотнение древесины методом радиального прессования Пластификация и модификация древесины. Материалы Всесоюзного научнотехнического совещания. Рига; Зинатне, 1970.- С 157-166. 143

34. Москалева В.Е. Строение древесины и его изменение при физических и механических воздействиях. М.: Издательство академии наук, 1957.- 166с. 50. (

35. Мурзин B.C. Исследование смачиваемости древесины разных пород. Лесной журнал, 1976, 4. 99 102.

36. Мурзин B.C. Клеи и нроцесс склеивания древесины. Воронеж, ВЛИ, 1993.- 88 с.

37. Никитин И.И. Химия древесины и целлюлозы. М.: Изд-во АН СССР, 1962-711 с.

38. Никитин В.М., Оболенская А.В., Щеголев В.М. Химия древесины и целлюлозы. М.: Лесная нромышленность, 1978. 368 с.

39. Нысенко Н.Т., Генель СВ. Пластификация цельной древесины. М.-Л.: Гослесбумиздат, 1958.-251 с. 55.0вчаренко В.П. Исследование экономической эффективности на производства и применения уплотненной древесины. Диссертация соискание ученой степени к.э.н. Л.:ЛТА, 1973.

40. Онегин В.И. Формирование лакокрасочных покрытий древесины. Л.: ЛГУ, 1983.-148 с.

41. Онегин В.И., Цой Ю.И. В о дно дисперсионные лакокрасочные материалы для прозрачной отделки. Деревообрабатывающая промышленность, 2002, №4 58.0снач Н.А. Нроницаемость и проводимость древесины. М.: Лесная промышленность, 1964. 181 с.

42. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров СМ. Техническая гидродинамика древесины. М.: Лесная промышленность, 1990. 304 с. бО.Нен Р.З., Менчер Э.М. Статистические методы в целлюлозно бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1976. 144 с.

43. Нерелыгин Л.М., Уголев Б.Н. Древесиноведение. М.: Лесная промышленность, 1971. 288 с. 62 Нижурин А.А., Розенблит М.С Исследования процессов деревообработки. М Лесная промышленность, 1984. -232с. 144

44. Румшинский А.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971.-192 с.

45. Сидоров Н.Я. Строение древесины и ее физико механические свойства. М.: Внешторгиздат, 1933. 271 с.

46. Справочное руководство по древесине перевод с английского под ред. Горшина Н. и др. М.: Лесная промышленность, 1979. 454 с.

47. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико химические основы смачивания и растекания. М.: Издательство Химия, 1976. 232.

48. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М.: Лесная промышленность, 1975.

49. Усачева В.Л. Уплотнение древесины осины и ее способность смачиваться./ Известия СПбГЛТА.// Сборник докладов молодых ученых на ежегодной научной конференции. Вып.9, СПбГЛТА, 2005.

50. Усачева В.Л. Уплотнение древесины осины и ее способность смачиваться /тезисы доклада/. Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка//. Сборник тезисов Международной научно технической конференции молодых ученых, проходившей 16-18 ноября 2004 года в СПбЛТА, 2005.

51. Файнерман А.Е., Липатов Ю.С. К определению поверхностного натяжения твердых полимеров. В кн. Поверхностные явления в полимерах. Киев, 1971.-с. 67-89.

52. Физическая и химическая адсорбция адгезивов древесной подложкой. Отчет о ПИР СПб. ЛТА, Руководитель темы А.П. Чубинский 1.3.98 ГР 01980002833. СПб., 1998. 29 с.

53. Харук Е.В. Лесоводствеш-ю биологические основы проницаемости жидкостями ядровой и спелой древесины хвойных пород Сибири: автореферат диссертации на соискание ученой степени д.с-х.н. Л., 1982. 36 с. 145

54. Харук Е.В., Ковригин Г.С. Газопроницаемость древесины хвойных пород Сибири в зависимости от различных факторов //Исследование древесины и материалов на ее основе. Красноярск, 1971. 93 103.

55. Харук Е.В., Разумова А.Ф., Тюкавкина Н.А., Луцкий В.И., Вольский Л.Н. Влияние состава экстрактивных веществ на газопроницаемость ядровой древесины осины. В сб. Исследование древесины и материалов на ее основе. Красноярск, 1971.

56. Хухрянский П.Н. Прессование древесины. М. Л.:Гослесбумиздат, 1949. 160с.

57. Хухрянский П.Н. Прессование древесины. Л.: Лесная промышленность, 1964.-351с.

58. Хухрянский П.Н.Прессование и гнутье древесины. М.-Л. Гослесбумиздат, 1956.-244 с.

59. Чубинский А.Н. Формирование клеевых соединений древесины. СПб, СПб ГУ, 1992,-164 с.

60. Чубинский А.П. Формирование клееных конструкционных материалов из шпона хвойных пород древесины. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. СПб.: СПб ЛТА, 1995. 421 с.

61. Чубинский А.П., Майорова Т.А. Деформации древесины при склеивании фанеры Технология и оборудование деревообрабатываюп];их производств: Межвуз. сб. науч. тр. СПб.: СПбГЛТА, 2003 с. 40 47.

62. Чубинский А.П., Ермолаев Б.В., Волков А.В., Кандакова Е.П. Смачивание древесины адгезивами Лесопромышленный комплекс России на рубеже XXI века: Тезисы докладов научно технической конференции, СПб.: ЛТА, 1998. 24-31.

63. Чубинский А.Н., Нуллер Б.М. Теоритические исследования процессов деформирования и пропитки древесины при склеивании. Лесной журнал, №1, 1995.-С.99-102. 146

64. Чубинский А.Н., Усачева В.Л. К обоснованию технологии клееных материалов из древесины осины. Известия СПбЛТА, Вып. 173, 2005.

65. Чубинский А.Н.,, Кандакова Е.Н., Щербаков В.М., Коваленко И.В., Усачева В.Л., Майорова Т.А. Материалы из осины и технологии их изготовления. Журнал «Лес и бизнес», 2006, №1

66. Чудинов Б.С. Вода в древесине. Новосибирск: Наука, 1984. 270 с.

67. Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий. Л.: Химия, 1982.-352. 90. WEST WOOD www. west wood, ru 91. Hse C.Y. Wettability of southern pine veneer by phenol-formaldehyde wood adhesives. Forest Products Journal, 1,V. 22, 1972.- p. 51-56.

68. Gibbs. I. W. Scientific Papers. New York, 1961, v. 1, 219 p.

69. Adam N. K. The Physics and Chemistry of Surfaces. London, 1941, p. 436

70. Dunning W. I. Adgesion. London, 1961, p. 57-112.

72. Levine 0., Zisman W.A., J. phys. Chem., 1957, v.61, №8, p.1068-1077.

73. Bascon W.D., J. Coll. Inter. Sci., 1968, v.27, №4, p. 789-796.

74. Whalen J. W., Wade W.H., J. Coll. Inter. Sci., 1967, v. 24, №3, p. 372-378. 147