новая папка 2 / 45424

В В Е Д Е Н И Е

Производство древесных композиционных материалов (ДКМ) является сравнительно новой и динамично развивающейся отраслью химической переработки древесины. К ним относятся такие многотоннажные материалы, как древесноволокнистые и древесностружечные плиты, древесно- и бумажнослоистые пластики, рассматриваемые в отдельных специальных курсах. В курсе «Химия и технология древесных композиционных материалов» рассматриваются древесные композиционные материалы, изготовляемые в меньших объѐмах, но имеющие также большое хозяйственное значение. Изготовление таких материалов позволяет использовать почти все виды отходов деревопереработки.

Выполнение лабораторных работ необходимо для закрепления теоретического материала и овладения методами расчѐта компонентного состава соответствующего композиционного материала, его изготовления и физикомеханических испытаний. Перед каждой работой сформулирована ее цель, перечислены необходимые для выполнения работы материалы и оборудование, подробно описан ход работы.

Методические указания состоят из двух частей: теоретической и практической. В первой части даны общие сведения о древесных композиционных материалах, их классификации, свойствах и применении; затем более подробно о древесных прессовочных массах и древесно-минеральных композиционных материалах. При подготовке к лабораторным работам необходимо ознакомится с соответствующим разделом Теоретической части. Перед выполнением лабораторной работы следует внимательно ознакомиться с ходом выполнения работы.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Композиционными называются материалы, состоящие из двух или более взаимно нерастворимых компонентов (фаз), имеющих между собой границу раздела. Взаимодействие на границе раздела фаз приводит к образованию межфазного слоя, придающего материалу новые свойства при сохранении индивидуальности каждого компонента. Свойства композиционных материалов в значительной степени зависят от прочности адгезионной связи, возникающей между приведенными в контакт разнородными поверхностями. Характер этих связей может быть различным, при этом решающая роль принадлежит молекулярному взаимодействию на границе раздела фаз.

Древесные композиционные материалы (ДКМ) – это материалы, со-

держащие в качестве армирующего наполнителя древесину. Другим важным компонентом является связующее вещество; наравне с ним используются пла-

3

стифицирующие, отверждающие, модифицирующие и другие добавки. Комбинируя объемное содержание компонентов, применяя технологические режимы совмещения их, используя химическую природу компонентов, получают ДКМ с требуемыми эксплуатационными характеристиками.

Древесина имеет сложный химический состав и анатомическое строение. Это пористый субстрат, состоящий из органических, в основном, высокомолекулярных веществ, с большим разнообразием функциональных групп. Поэтому задача любой технологии получения ДКМ – использовать особенности этого активного наполнителя.

Взависимости от структуры наполнителя ДКМ разделяют на три группы. ДКМ на основе цельной (массивной) древесины, это так называемая модифицированная древесина, когда в макро- и микрополости вводят модификатор, придавая ей новые свойства. Наполнитель ДКМ может быть в виде тонких листов (древесный шпон толщиной 0,55…1,5 мм). Пропитанные синтетической смолой и спрессованные при высокой температуре и давлении они образуют древеснослоистый пластик. И, наконец, самая обширная группа ДКМ – это материалы, наполненные дискретными частицами: древесное волокно, стружка, дроблѐнка, опилки, кора и другими (древесностружечные, древесноволокнистые плиты, древесные прессмассы, различные древесно-минеральные материалы).

Взависимости от природы связующего вещества ДКМ подразделяются на материалы, изготавливаемые с применением неорганических вяжущих ве-

ществ, природных клеящих веществ и синтетических полимеров.

К первой группе связующих относятся клинкерный цемент, гипс, магнезиальные вяжущие вещества; их используют для получения таких материалов, как арболит, цементно-стружечные плиты, опилкобетон, фибролит и многие другие.

Природные клеящие вещества образуются при воздействии на древесину воды при высокой температуре. Это продукты термогидролитического расщепления компонентов древесины, главным образом, легкогидролизуемых углеводов и лигнина. Они выполняют роль связующих веществ при изготовлении древесноволокнистых плит мокрого способа производства и пьезотермопластиков

Большое разнообразие ДКМ удается получить при использовании синтетических полимеров. Это – древесностружечные и древесноволокнистые плиты, древеснослоистые и бумажнослоистые пластики, разнообразные древесные прессмассы.

ДКМ можно классифицировать в зависимости от областей их использования в качестве полноценных заменителей натуральной древесины, металлов, дорогостоящих пластмасс, кирпича, бетона и других традиционных материалов. Применяются ДКМ в строительстве, производстве мебели, горнодобы-

4

вающей, лесной, химической, автомобильной промышленности, машиностроении и многих других отраслях.

2. ДРЕВЕСНЫЕ ПРЕССМАССЫ

Массы древесные прессовочные (МДП) являются разновидностью древеснополимерных материалов и состоят из частиц древесины и термореактивных синтетических смол или их модификаций. В зависимости от состава МДП в соответствии с ГОСТом 11368 - 89 «Массы древесные прессовочные» подразделяются на типы и марки.

Тип МДП определяется видом древесного наполнителя. Выпускаются следующие типы МДП: МДПК – из частиц шпона (крошки) толщиной 0,5…1,8 мм; МДПС – из стружки, получаемой в процессе обработки древесины на деревообрабатывающих станках; МДПО – из опилок, получаемых при продольной распиловке древесины. В зависимости от вида используемой смолы МДП подразделяются на марки. Вид смолы указывается буквой после типа МДП: Б – спирторастворимые фенолоформальдегидные смолы (бакелитовые лаки); В – водорастворимые фенолоформальдегидные смолы или их смеси с фенолоспиртами; М – карбамидоформальдегидные (мочевиноформальдегидные) смолы.

МДП основных марок перерабатываются в изделия сложной конфигурации в прессформах методом горячего прессования и применяются в виде различных деталей машин и механизмов в основном конструкционного и антифрикционного назначения.

Кроме наполнителей (55…75 мас.%) и связующих веществ (25…35 мас.%) в композицию прессмассы вводятся различные вспомогательные компоненты (смазки, красители, ускорители отверждения) и модифицирующие добавки. В качестве смазок, применяемых для предотвращения прилипания прессмассы к рабочим поверхностям прессформы, используются олеиновая кислота, стеарин, стеарат цинка, минеральное масло (1,3…2,6 мас. %). Для окрашивания прессмассы вводят нигрозин, сурик, мумиѐ и другие пигменты (2…2,5 мас.%); для ускорения отверждения синтетического связующего вещества – гексаметилентетрамин (уротропин), сульфокислоты, соли сильных кислот, оксиды металлов (0,5…1,3 мас.%). Антифрикционные добавки (алюминиевая пудра, кристаллический графит, медный порошок), а также такие полимеры, как фторопласты, полиамиды и др. способствуют снижению коэффициента трения деталей. Низкомолекулярные или высокомолекулярные модификаторы эффективно влияют на свойства изделий, улучшая такие важные эксплуатационные характеристики, как ударная прочность, гидрофобность, антифрикционные свойства. Кроме того, они способствуют успешной переработке, снижению брака от недопрессовок и изготовлению изделий сложной

5

конфигурации.

Технологический процесс производства древесных прессмасс состоит из операции подготовки древесного наполнителя, приготовления рабочего раствора связующего, дозирования и смешивания измельчѐнной древесины, связующего веществ, отверждающих, смазывающих и модифицирующих добавок, сушки сырой прессмассы, стандартизации еѐ, упаковки и маркировки.

Физико-механические свойства древесных прессмасс определяются их составом и технологией изготовления. Наилучшие прочностные показатели у прессмасс типа МДПК, имеющих большие размеры древесного наполнителя по длине в сравнении с другими марками. Благодаря хорошим антифрикционным и механическим свойствам изделия из МДП применяют как полноценные заменители деталей из чѐрных и цветных металлов в узлах трения машин и механизмов. Это ролики ленточных конвейеров, корпуса и вкладыши подшипников, шкивы клиноремѐнных передач и многие другие детали.

3. ДРЕВЕСНО-МИНЕРАЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Для изготовления древесно-минеральных композиционных материалов (ДМКМ) в качестве связующего вещества используют различные минеральные вяжущие вещества (цемент и его разновидности, гипс, магнезиальные вяжущие и другие); в качестве наполнителя – древесную дроблѐнку, специальную стружку, опилки, измельчѐнные однолетние растения. В состав ДМКМ входят химические добавки, имеющие различное функциональное назначение.

Минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой или водными растворами некоторых солей образуют пластичную массу, называемую цементным тестом, способную со временем отвердевать, превращаясь в камневидное тело. Эту группу минеральных вяжущих в зависимости от способности твердеть разделяют на воздушные и гидравлические. К воздушным вяжущим, способным при смешивании с водой затвердевать и длительно сохранять свою прочность только на воздухе, относятся строительная воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло. Гидравлические вяжущие после твердения сохраняют свою прочность как на воздухе, так и в воде, однако начальный период твердения, как правило, протекает в среде, изолированной от воды. Среди гидравлических вяжущих наиболее распространѐн портландцемент и гидравлическая известь.

Компоненты древесины отрицательно влияют на прочность и сроки твердения ДМКМ. Их называют цементными ядами. Наиболее вредное воздействие оказывают моносахариды, образующиеся в результате щелочного гидролиза легкогидролизуемых полисахаридов древесины при еѐ совмещении с цементным тестом, имеющим щелочную среду. Количество цементных ядов зависит

6

от породы древесины, условий и сроков еѐ хранения.

Существуют различные способы борьбы с цементными ядами: использование хвойных пород древесины, содержащих меньшее количество легкогидролизуемых веществ; частичное удаление этих веществ из древесины; перевод моносахаридов в нерастворимые или безвредные соединения; изолирование древесины от цемента. Эти способы можно разделить на физические, химические, механические и биологические.

3.1 ЦЕМЕНТНО-СТРУЖЕЧНЫЕ ПЛИТЫ

Один из современных материалов, который может заменить деловую древесину или снизить еѐ расход – это цемнтно-стружечные плиты (ЦСП). По сравнению с традиционными древесными материалами, применяемыми в строительстве (ДСП, ДВП, фанера), ЦСП имеют ряд преимуществ. Они негорючи, нетоксичны, био- и атмосферостойки.

ЦСП изготовляют методом прессования специальной древесной стружки, смешанной с цементным вяжущим и химическими добавками. В качестве вяжущего применяется портландцемент марки 500. В качестве химических добавок чаще используют жидкое стекло и сульфат алюминия.

ЦСП предназначены для применения в стеновых панелях, плитах покрытий, в элементах подвесных потолков, вентиляционных коробах, при устройстве полов, в качестве подоконных досок, облицовочных деталей и других строительных изделий.

3.2. АРБОЛИТ

Другим распространѐнным строительным древсно-минеральным материалом является арболит – лѐгкий бетон, предназначенный для изготовления теплоизоляционных (со средней плотностью до 500 кг/м3) и конструкционных (со средней плотностью 500…850 кг/м3) материалов и изделий. По прочности при сжатии арболит делится на 7 классов. Для конструкций из арболита предусматриваются следующие классы: В 0,35; В 0,75; В 1,0 – для теплизоляционных

иВ 1,5; В 2,0; В 2,5; В 3,5 – для конструкционных.

Вкачестве древесного наполнителя используют древесную дроблѐнку, получаемую из отходов лесопиления, деревообработки, лесозаготовок, а также одубину, отходы однолетних растений. Вяжущее вещество для изготовления арболита – портландцемент (марки не ниже 300 при изготовлении теплоизоляционного и не ниже 400 при изготовлении конструкционного). Наиболее широко применяемые химические добавки, ускоряющие твердение, регулирующие пористость арболитовой смеси, повышающие бактерицидные и инсекционные свойства – это хлорид и нитрат кальция, сульфат алюминия, жидкое стекло.

Из арболита изготовляют крупноформатные навесные стеновые панели, панели и блоки несущих стен, стеновые камни для наружных и внутренних

7

стен, плиты перекрытий, перегородки другие строительные конструкции и детали.

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа №1 Синтез фенолоформальдегидной смолы для изготовления

древесной прессовочной массы и еѐ испытание

Цель работы

Овладение практическими навыками синтеза и анализа резольной фенолоформальдегидной смолы.

Материалы и реактивы

Фенол кристаллический; формалин 37%-й раствор; раствор гидроксида натрия 42%-й концентрации.

Аппаратура

Трѐхгорлая колба объѐмом 250 см3, снабжѐнная термометром, обратным холодильником и механической мешалкой; водяная баня; фарфоровая чашка; термометр на 100ОС и 200оС; стакан объѐмом 250 см3; пикнометр на 25 см3 с пришлифованной пробкой; фильтровальная бумага; дистиллированная вода; сушильный шкаф; весы технические; весы аналитические; эксикатор; бюксы стеклянные; вискозиметр ВЗ-246; секундомер; мензурка или мерный цилиндр объѐмом 100 см3, рН-метр; стальная пластина размером 160 160 20 мм; электрическая плитка.

Ход работы

Фенолоформальдегидная водорастворимая смола резольного типа (СФЖ3011), применяемая при изготовлении древесных прессмасс, представляет собой продукт поликонденсации фенола и формальдегида в щелочной среде.

mi

i 1

где Gi – масса компонента, г; M – масса синтезируемой смолы, г (задается преподавателем); mi –доля компонента по рецептуре, мас. ч..

В трехгорлую колбу помещают фенол и при 40…450С, расплавляют его. Включают мешалку и загружают расчѐтное количество воды и гидроксида на-

8

трия. В образовавшийся раствор фенолятов натрия добавляют формалин и нагревают реакционную смесь до 85…900С. При этой температуре реакционную смесь выдерживают 30…35 мин, а затем нагревают до кипения. Кипячение реакционной смеси продолжается в течение 40…60 мин. Готовую смолу охлаждают до 25…30оС и сливают в стакан.

У готовой смолы определяют следующие показатели: плотность, содержание сухих веществ, условную вязкость, время отверждения [2].

Определение плотности Предварительно взвешенный пикнометр наполняют при 200С дистилли-

рованной водой, тщательно обсушивают снаружи фильтровальной бумагой и снова взвешивают. Выливают воду и после повторной сушки этот пикнометр наливают испытуемую смолу, плотно закрывают пробкой и помещают на водяную баню с температурой 200С. После 30 минутной выдержки обсушенный фильтровальной бумагой пикнометр со смолой взвешивают. Плотность испытуемой смолы вычисляют с точностью до 1 кг/м3 по формуле

(mC m0 )1000, 25(mВ m0 )

где m0 – масса пустого пикнометра, г; mВ– масса пикнометра с дистиллированной водой, г; mС – масса пикнометра с испытуемой смолой, г;

Определение содержания сухих веществ В предварительно взвешенный бюкс, помещают смолу в количестве 2 ±

0,1 г, закрывают крышкой и взвешивают на аналитических весах. Смолу сушат в сушильном шкафу при 105 ± 20С, в течение 2 ч. После охлаждения в эксикаторе бюкс взвешивают и вычисляют содержание сухих веществ в процентах по формуле

где m – масса бюкса с крышкой и сухим остатком, г; m1 – масса бюкса с крышкой, г; m2 – масса бюкса с крышкой и смолой до сушки, г.

Определение условной вязкости Устанавливают вискозиметр так, чтобы его верхний край был в горизон-

тальном положении. Под сопло ставят мензурку объѐмом 100 см3. Вискозиметр заполняют смолой и открывают отверстие для слива, одновременно включая секундомер. Когда смола в мензурке достигает точно уровня метки 100 см3, секундомер останавливают и отсчитывают время истечения с погрешностью не более 0,2 с.

За величину времени истечения принимают среднее арифметическое значение трѐх параллельных определений. Условную вязкость смолы в секундах вычисляют по формуле

x tK ,

где t – среднее арифметическое значение времени истечения смолы, с; К – по-

9

правочный коэффициент вискозиметра, указанный в паспорте прибора. Определение времени отверждения Около 2 г смолы, взвешенной в фарфоровом тигле с точностью до 0,01 г, на-

носят на центральную часть стальной пластины, включают секундомер и определяют время отверждения при 150 2оС. Стеклянной палочкой смолу равномерно распределяют по площади квадрата размером 50 50 мм и непрерывно перемешивают. Когда полимер начнет густеть, не прекращая перемешивания, из него периодически вытягивают нити на высоту не более 2 см. при дальнейшем нагревании полимер теряет пластичность и нити не образуются. В этот момент секундомер останавливают. За результат испытания принимают среднее арифметическое из трѐх определений. Расхождения между параллельными определениями не должны превышать 5 с.

Лабораторная работа №2 . Приготовление древесной прессовочной массы

Цель работы

Привитие навыков расчета состава древесной прессовочной массы. Изучение технологического процесса изготовления древесной прессовочной массы.

Материалы и реактивы

опилки от продольной распиловки древесины влажностью 6..8%; смола фенолоформальдегидная жидкая марки СФЖ-3011; олеиновая кислота.

Аппаратура

Весы технические; химические стаканы для смолы и олеиновой кислоты; емкость для опилок, смеситель двухвалковый с Z-образными лопастями; сушильный шкаф с принудительной циркуляцией воздуха; электрический влагомер; эксикатор для готовой пресссмассы; стеклянные бюксы; металлический стакан емкостью 100 см3; металлическая линейка.

Ход работы

Для приготовления прессмассы берут 100 г сухих опилок взвешенных с точностью до 1 г. Рассчитывают количество смолы, г, необходимое для приготовления прессмассы по формуле

где GW – навеска с древесного наполнителя влажностью W, г; WД – влажность, %; Р – содержание связующего в прессмассе, мас.ч.(задается преподавателем); С – концентрация связующего, % .(задается преподавателем); М – содержание древесного наполнителя в прессмассе, мас.ч. (задается преподавателем).

Рассчитывают количество олеиновой кислоты, г, необходимое для приготовления прессмассы по формуле

GK GC CК ,

100P

10