Технология клееной карандашной дощечки на основе модифицированного лущеного шпона березы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат технических наук Шадрина, Елена Викторовна

• Шадрина, Елена Викторовна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шадрина, Елена Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Карандашная продукция на отечественном и мировом рынках.

1.2 Характеристика основных пород древесины для изготовления карандашных дощечек.

1.3 Анализ способов получения карандашных дощечек.

1.4 Термическая обработка карандашных дощечек как способ улучшения чиночных и других физических свойств карандашей.

1.5 Влияние термической обработки на свойства древесины.

1.6 Выводы по состоянию вопроса. Задачи исследований.

2 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1 Программа исследований.

2.2 Материалы и их подготовка к экспериментальным исследованиям

2.2.1 Характеристика древесного сырья.

2.2.2 Характеристика теплоносителя.

2.2.3 Характеристика клея.

2.3 Оборудование и измерительная аппаратура.

2.4 Методика проведения опытов.

2.4.1 Определение влажности образцов шпона березы из партии весовым способом.

2.4.2 Модификация шпона, определение конечной влажности и содержания масла в шпоне березы.

2.4.3 Формирование пакета модифицированного шпона и склеивание карандашных заготовок.

2.4.4 Определение удельного усилия резания клееной карандашной дощечки.

2.4.5 Определение прочности склеивания карандашной заготовки.

2.4.6 Определение водопоглощения и объемного разбухания карандашной заготовки.

2.5 Методика математической обработки результатов эксперимента

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КЛЕЕНОЙ КАРАНДАШНОЙ ДОЩЕЧКИ ИЗ МОДИФИЦИРОВАННОГО

ШПОНА БЕРЕЗЫ.

3.1 Макроскопическое строение древесины березы.

3.2 Микроскопическое строение древесины березы.

3.3 Проницаемость и проводимость древесины.

3.4 Особенности тепловой обработки древесины.

3.5 Изменения в микроструктуре древесины при нагревании.

3.6 Движение жидкостей и газов в древесине при нагревании.

3.7 Явления переноса жидкости в древесине при пропитке.

3.8 Исследование процесса модификации лущеного шпона березы в масле.

3.8.1 Характеристика лущеного шпона как объекта модификации.

3.8.2 Характеристика и особенности использования органического масла в качестве теплоносителя в процессе модификации.

3.8.3 Конечная влажность и содержание масла в шпоне после его модификации.

3.9 Плотность модифицированного шпона березы.

3.10 Влияние структуры и состояния модифицированного шпона на процессы склеивания.

3.10 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО

МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЕЕНОЙ КАРАНДАШНОЙ

ДОЩЕЧКИ.

4.1 Лабораторные исследования.

4.1.1 Постановка и проведение эксперимента.

4.1.2 Постоянные и переменные факторы при проведении эксперимента.

4.1.3 Выходные параметры при проведении эксперимента.

4.1.4 Результаты эксперимента и их обработка.

4.1.5 Построение математических моделей выходных параметров эксперимента.

4.1.5.1 Удельное усилие резания клееной карандашной дощечки.

4.1.5.2 Прочность склеивания карандашной дощечки.

4.1.5.3 Водопоглощение клееной карандашной дощечки.

4.1.5.4 Разбухание клееной карандашной дощечки.

4.1.5.5 Решение компромиссной задачи методом условного центра масс.

4.1 Анализ результатов лабораторных исследований.

4.2 Промышленные испытания клееной карандашной дощечки. Анализ результатов.

5 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЛЕЕНОЙ КАРАНДАШНОЙ ДОЩЕЧКИ ИЗ МОДИФИЦИРОВАННОГО ШПОНА БЕРЕЗЫ.

5.1 Описание технологического процесса.

5.2 Расчет расхода древесного сырья.

5.3 Расчет потребного количества клея.

5.4 Расчет потребного количества масла.

5.5 Выводы.

6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

КЛЕЕНОЙ КАРАНДАШНОЙ ДОЩЕЧКИ.

6.1 Производственная программа.

6.2 Материальные и производственные расходы.

6.3 Фонд заработной платы персонала.

6.4 Калькуляция себестоимости 1 м3 клееной карандашной дощечки.

6.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология клееной карандашной дощечки на основе модифицированного лущеного шпона березы»

Актуальность темы. В Российской Федерации на сегодняшний день карандашной фабрикой, выпускающей дощечки и карандаши высшей ценовой категории, является ООО «Сибирская карандашная фабрика г. Томск», которая основные объемы своей продукции производит из древесины кедра. Мягкая, легкая, прочная и однородная древесина данной породы обеспечивает хорошие чиночные свойства деревянных карандашей. Потребность фабрики в кедре оценивается в районе 25 тысяч кубометров круглого сырья для производства 7 тысяч кубометров дощечки в год.

Прижизненное использование сырьевых ресурсов кедровников экономически и экологически значительно целесообразнее их рубки для получения древесины. В связи с высокими требованиями, предъявляемыми к карандашной дощечке, большая часть древесины кедра не используется по прямому назначению. Кедр имеет большое количество сучков, это делает его в соответствии с требованиями экономически маловыгодным. Количество отходов при производстве пиленой карандашной дощечки из древесины кедра составляет около 80 %. Вырубается кедровой древесины во много раз больше, чем необходимо карандашной фабрике. В карандаше кедр составляет более 60% от себестоимости, поэтому дефицит и высокая цена сырья является тяжелой проблемой для фабрики, конкурентами которой являются зарубежные производители карандашей [1].

В этой связи разработка альтернативной технологии карандашной дощечки клееной конструкции на основе модифицированного лущеного шпона березы является актуальной научно-технической проблемой, решение которой позволит экономически, а главное экологически целесообразнее использовать сырьевые ресурсы кедровников в карандашном производстве.

Цель работы - повышение эффективности производства карандашной дощечки.

Объектом исследования являются процессы, протекающие при модификации березового шпона и его склеивании в карандашную дощечку.

Предметом исследования являются параметры режимов модификации и склеивания лущеного шпона березы.

Научной новизной обладают:

1. Конструкция клееной карандашной дощечки;

2. Методика теоретического определения конечной влажности и содержания масла в модифицированном шпоне березы;

3. Математические модели, характеризующие влияние температуры, продолжительности модификации и давления прессования при склеивании на удельное усилие резания, прочность склеивания, водопоглощение и разбухание клееной карандашной дощечки;

4. Рациональные значения параметров режима модификации и склеивания лущеного шпона березы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Повышение пластичности древесины березы в процессе модификации обусловлено использованием низковязкого высокотемпературного теплоносителя (масла), малой толщиной шпона, наличием микротрещин на его поверхности, снижением плотности шпона березы после модификации и наличием масла в древесине после модификации.

2. Определяющими механизмами при пропитке шпона березы маслом в ходе модификации является молекулярная диффузия, бародиффузия и фильтрация без определенно четкой границы между этими механизмами. Проводящими элементами березы при модификации являются сосуды.

3. В виду сложного химического строения насыщенных углеводородов и наличия малополярных связей в их молекулярной структуре происходит лишь частичное проникновение молекул масла в клеточные стенки древесины. Это подтверждается незначительной величиной разбухания шпона после модификации.

4. В ПВА дисперсии, применяемой при склеивании модифицированного березового шпона, такой компонент как гидроксиэтилцеллюлоза, концентрируясь на поверхности раздела фаз (клей/древесина) повышает адгезию клея к древесине, тем самым обеспечивая достаточно прочное для карандашного полуфабриката склеивание.

5. Основным процессом, лежащим в основе склеивания модифицированного шпона березы, является адсорбция.

Практическая значимость работы заключается в разработке режимов модификации и склеивания лущеного шпона березы для изготовления клееной карандашной дощечки. Применение в карандашной промышленности предлагаемой технологии позволит: расширить сырьевую базу для производства дощечек; увеличить полезный выход дощечек из исходного сырья; дополнительно использовать отходы фанерного производства; увеличить объемы производства отечественных деревянных карандашей; упростить технологию производства дощечек и карандашей; снизить о . себестоимость 1м дощечки и, соответственно, себестоимость 1 карандаша.

Основы исследований. Информационную базу исследований составили материалы научных исследований специалистов, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, патентная информация, сведения из сети Интернет.

Исследования проводились с использованием принципов системного подхода, включающего методы теории пропитки, сушки, тепловой обработки, склеивания, теории вероятностей и математической статистики. Приборы и оборудование, выбранные для экспериментов, соответствовали требованиям.

Место проведения работы. Работа выполнена в Уральском государственном лесотехническом университете на кафедре Древесиноведения и специальной обработки древесины.

Апробация работы. Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях со всероссийским и международным участием:

Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (Екатеринбург, 2010-2011 г.); «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2011 г.); «Современные проблемы механической технологии древесины» (Санкт - Петербург, 2011 г.); «Народное хозяйство. Вопросы инновационного развития» (Москва, 2011 г.); «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Екатеринбург, 2011-2012 г.).

Реализация работы. В условиях ООО «Сибирская карандашная фабрика г. Томск» из клееных карандашных дощечек, изготовленных в лабораторных условиях по разработанным оптимальным режимам, выпущена партия карандашей слоистой конструкции.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 статей, из них 1 в сборнике, рекомендованном ВАК, и 1 патент на полезную модель.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Основное содержание работы изложено на 146 страницах машинописного текста, содержит 42 иллюстрации и 85 наименований использованных литературных источников.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Шадрина, Елена Викторовна

3.11 Выводы

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Определены проводящие элементы древесины березы - сосуды.

2. Проникновение масла в стенки древесины имеет место быть, но в силу сложного химического строения насыщенных углеводородов и наличия малополярных связей в их молекулярной структуре происходит частичное проникновение молекул масла в клеточные стенки древесины. Это также подтверждается наличием явления разбухания шпона после модификации.

3. Доминирующими факторами при пропитке березового шпона маслом в процессе модификации следует считать:

• Способ обработки древесины с целью ее модификации, основанный на использовании органического масла, нагретого до высоких температур и имеющего низкую вязкость.

• Малую толщину обрабатываемого материала и наличие микротрещин на поверхности шпона.

4. Исследования показали, что определяющим механизмом при пропитке березового шпона маслом в ходе термической модификации является фильтрация. Перенос по этому механизму может происходить только по сообщающимся постоянным микрокапиллярам. Процентное содержание сосудов в древесине березы составляет в среднем около 20%, расположение сосудов совпадает с продольным направлением волокон древесины, поверхность сосудов пориста. Наиболее вероятными и основными путями фильтрационного переноса являются сосуды.

5. Экспериментально установлено, что для модификации можно использовать сырой шпон, так как при погружении древесины в теплоноситель процессы нагрева и сушки древесины происходят одновременно и очень интенсивно.

6. Установлено, что незначительное количество масла, остающееся в древесине после модификации, не оказывает существенного негативного влияния на процессы склеивания. Поверхность модифицированного шпона способна адсорбировать связующее на основе ПВАД и не способна адсорбировать связующее на основе КФ смолы.

7. Повышение пластичности березового шпона после его модификации обуславливается снижением плотности древесины после высокотемпературной обработки в масле, а также некоторым его количеством в древесине шпона.

8. Основным процессом, лежащим в основе склеивания модифицированного шпона, является адсорбция клея деревянной подложкой.

4.1 Лабораторные исследования 4.1.1 Постановка и проведение эксперимента

При выборе постоянных и переменных факторов учитывались результаты исследований, проведенных ранее, а также результаты поисковых исследований.

В качестве основного эксперимента был реализован трехфакторный план типа В3, включающий 14 опытов. Данный план при сравнительно небольшом числе опытов и простоте реализации, обладает хорошими статистическими характеристиками [73-78], а также хорошо зарекомендовал себя при проведении исследований именно на предприятиях лесопромышленного комплекса.

4.1.2 Постоянные и переменные факторы при проведении эксперимента

Постоянные факторы при проведении эксперимента, а также их значения приведены в таблице 4.1. Переменные факторы при проведении эксперимента, их значения в явном и кодированном виде, а также диапазоны варьирования приведены в таблице 4.2.