новая папка 2 / 45419

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ

Методические указания по лабораторному практикуму для подготовки бакалавров

по направлению 240100 «Химическая технология и биотехнология» и дипломированных специалистов по специальности

240406 «Технология химической переработки древесины»

Санкт-Петербург

2008

Рассмотрены и рекомендованы к изданию учебно-методической комиссией

факультета химической технологии и биотехнологии Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии 28 мая 2008 г.

С о с т а в и т е л и :

кандидат технических наук, доцент В. В. Васильев, кандидат технических наук, доцент И. А. Гамова

О т в . р е д а к т о р доктор технических наук, профессор А. А. Леонович

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физикохимические основы образования древесных плит» составлены в соответствии с программой курса лекций по специализации «Технология древесных композиционных материалов» факультета химической технологии и биотехнологии. Они предназначены для подготовки бакалавров по направлению 240100 «Химическая технология и биотехнология» и дипломированных специалистов по специальности 240406 «Технология химической переработки древесины»

Темплан 2008 г. Изд. № 191.

2

В В Е Д Е Н И Е

Древесные плиты в настоящее время являются широко распространѐнным древесным композиционным материалом. Они состоят из дискретного наполнителя в виде специальной стружки или древесного волокна, связующего вещества и различных добавок целевого назначения. Образование древесных плит происходит в результате сложных физикохимических процессов на различных стадиях их изготовления.

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физикохимические основы образования древесных плит» составлены в соответствии с программой читаемого курса лекций по специализации «Технология древесных композиционных материалов» факультета химической технологии и биотехнологии.

Лабораторный практикум позволяет глубже понять теоретический материал по основным процессам образования древесных плит, освоить методики изучения явлений, происходящих на различных стадиях изготовления материала, и приобрести навыки научно-исследовательской работы. К каждой работе прилагаются вопросы и список литературы для подготовки

кколлоквиуму.

Вметодических указаниях рассматриваются следующие вопросы: изучение роли экстрагируемых веществ древесного волокна в создании свойств древесноволокнистых плит; изучение влияния термообработки плит на их прочностные и гидрофобные свойства; изменение прочности клеевых соединений в зависимости от расхода связующего; определение характеристики древесной стружки и удельного расхода связующего при получении древесностружечных плит; изучение смачивания, растекания и работы адгезии смолы различной концентрации к древесной поверхности; определение долговечности различных плит.

3

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ ДРЕВЕСИНЫ И ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ

Древесноволокнистые плиты (ДВП) — листовой материал, изготовленный из древесноволокнистой массы формованием волокнистого ковра и прессованием его (или сушкой) с последующей термообработкой плит или без нее [1].

Процесс получения ДВП включает предварительную гидротермическую обработку технологической щепы (пропаривание) с последующим размолом древесины на волокна. Пропаривание древесины приводит к размягчению межклеточного вещества, химическим изменениям компонентов древесины, а размол сопровождается термомеханической деструкцией древесного комплекса. Термогидролитическое расщепление, катализируемое отщепляющимися органическими кислотами, в первую очередь легкогидролизуемых углеводов и лигнина, приводит к образованию олиго- и моносахаридов, растворимых фрагментов лигнина. Наиболее устойчив к термогидролитическому воздействию трудногидролизуемый полисахарид — целлюлоза.

Пластификация водой и образовавшимися низкомолекулярными веществами, способствует набуханию древесных волокон, увеличению удельной поверхности и ее активизации для последующего межволоконного взаимодействия при прессовании и последующей термообработке ДВП.

В межволоконном взаимодействии при воздействии нагревания и давления участвуют выносимые парогазовой смесью на поверхность древесных волокон растворимые компоненты термогидролитического расщепления. При прессовании и термообработке протекают реакции дегидратации этих продуктов (олиго- и моносахаридов), с образованием не растворимых в воде гуминоподобных веществ. Показано также, что накопление гидрофобных веществ происходит в результате взаимодействия высших жирных кислот с продуктами лигнинного происхождения. Исключение продуктов, растворимых в горячей воде, из древесного волокна приводит к снижению качества плит [2].

Таким образом, основные компоненты древесины участвуют в образовании ДВП, выполняя при этом определенную роль: целлюлоза является армирующим, упрочняющим компонентом; продукты термогидролитического расщепления лигнина и легкогидролизуемых углеводов — клеящие вещества, обеспечивающие прочность и гидрофобность ДВП.

Определѐнную роль выполняет в технологии получения ДВП мокрого способа производства вода. При размоле она является гидролизующим и пластифицирующим агентом, при отливе плит — транспортирующим

4

средством, а при прессовании участвует в образовании водоводородных связей. При прессовании в результате удаления воды происходит образование водородных связей, которые и определяют свойства ДВП.

Термообработка осуществляется в специальных камерах при температуре 160…170°С в течение 1…3 ч и приводит к улучшению прочностных и гидрофобных свойств плит, в результате завершения физико-химических процессов, происходящих при их прессовании. За счѐт этой операции сокращается продолжительность нахождения плит в прессе, а значит и повышается производительность предприятия.

Цель работы:

—определение влияния основных компонентов древесины на свойства ДВП;

—определение влияния термообработки на прочность и гидрофобность плит.

Материалы и оборудование

Древесное (дефибраторное) волокно; лабораторное оборудование для изготовления и термообработки плит; универсальная испытательная машина; металлическая линейка с ценой деления 1 мм; толщиномер с ценой деления 0,1 мм; ванна с водой для определения водопоглощения и набухания образцов.

Порядок проведения работы

Образцы ДВП изготавливают мокрым методом. Используют два вида волокнистых полуфабрикатов: 1) древесное (дефибраторное) волокно; 2) волокно, подвергнутое экстракции горячей водой.

Рассчитывают массу навески абсолютно сухого сырья с учетом его влажности для изготовления образцов ДВП с плотностью 950…1000 кг/м3, толщиной 3…3,5 мм, размерами 200×200 мм, затем вносят поправку, учитывающую влажность волокна, в массу навески.

Экстракция горячей водой. Навеску волокна, предназначенную для экстракции, помещают в емкость, заливают кипящей водой и при гидромодуле 1 : 30 кипятят в течение 30 мин. Затем разбавляют ее холодной водой до достижения гидромодуля 1 : 60 и перемешивают. Навеску для образца, изготовляемого из исходного сухого волокна, распускают в воде при гидромодуле 1 : 60.

Отлив волокнистого ковра производят на лабораторном листоотливном аппарате. Отливку ДВП на сетке между двумя металлическими пластинами подвергают холодной подпрессовке при удельном давлении 2,5 МПа. Выдержка при этом давлении составляет 2...3 мин.

Показания манометра пресса для холодной подпрессовки отливки рассчитывают по формуле

5

где Руд — удельное давление прессования, МПа; S1 — площадь отливки, см2; S2 — площадь плунжера, равная 420 см2; 1,15 — коэффициент, учитывающий увеличение площади при раздавливании отливки при прессовании.

Прессование образцов осуществляют на лабораторном гидравлическом прессе. Температура прессования 180…190°С. График прессования твердых ДВП мокрого способа формирования представлен на рис. 1.1. Показания манометра на прессе горячего прессования рассчитывают с учетом указанного удельного давления и площади плунжера, равной 270 см2.

Руд, МПа

5,5

1,0

Рис. 1.1. График прессования ДВП

Термообработка плит. Отпрессованные образцы плит разрезают на четыре полоски шириной 5 см и длиной 20 см; две из них из каждого образца помещают в закалочную камеру и подвергают термообработке при

160…180°С в течение 1 ч.

Затем образцы подвергают физико-механическим испытаниям. Плотность плит определяют путем взвешивания и обмера двух об-

разцов. Толщину каждого образца замеряют толщиномером с точностью до 0,1 мм. Линейные размеры образца замеряют линейкой с точностью до 0,1 мм. Взвешивание образцов проводят с точностью до 0,1 г на технических весах. Плотность ( ) вычисляют как среднеарифметическую величину из двух измерений с точностью до 10 кг/м3 по формуле

где m — масса образца, г; V — объем образца, см3.

6

Предел прочности при статическом изгибе определяют по результа-

там испытаний образцов плит размером 200×50 мм на универсальной испытательной машине. Предел прочности при изгибе ( изг) вычисляют с точностью до 0,5 МПа по формуле

изг 2 b h2

где Р — разрушающая нагрузка, Н; ℓ — расстояние между центрами опор, м; b — ширина образца, м; h — толщина образца, м.

Водопоглощение определяют путем погружения восьми образцов плит, размером 50×50 мм, отрезанных от полосок после определения прочности при изгибе.

Перед погружением образцы взвешивают и измеряют их толщину. Время испытания задается преподавателем (1, 2 или 24 ч). После выдержки в воде удаляют излишки влаги фильтровальной бумагой и определяют массу и толщину образцов.

Водопоглощение (W) для каждого образца вычисляют с точностью до

где m1 — масса образца перед погружением в воду, г; m2 — масса образца после выдержки в воде, г.

Набухание по толщине (N) определяют по изменению толщины плит до и после выдержки в воде и вычисляют с точностью до 0,1% по формуле

где h1 — толщина образца перед погружением в воду, мм; h2 — толщина образца после выдержки в воде, мм.

Полученные результаты испытаний сводят в табл. 1.1.

Провести анализ полученных результатов и сделать письменные выводы:

—о влиянии экстракции горячей водой на основные свойства плит;

—о влиянии термообработки на прочность и гидрофобность плит.

7

Вопросы к коллоквиуму

1.Химические изменения древесинного вещества при размоле древесины на волокна.

2.Теоретические представления о размоле.

3.Физико-химические процессы, происходящие при прессовании и термообработке ДВП.

4.Роль основных компонентов древесного волокна в создании свойств

ДВП.

5.Химические реакции лигнина при прессовании и термообработке

плит.

Рекомендуемая литература

1.Волынский В. Н. Технология стружечных и волокнистых древесных плит: Учебное пособие для вузов. Таллинн: Дезидерата, 2004. 192 с.

2.Леонович А. А. Физико-химические основы образования древесных плит. СПб.:

Химиздат, 2003. 192 с.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ МАЛЫХ РАСХОДАХ СВЯЗУЮЩЕГО ВЕЩЕСТВА

Физико-механические свойства древесностружечных плит (ДСП) в значительной степени зависят от содержания в них связующего вещества, в качестве которого используется карбамидоформальдегидная смола (КФС). Увеличение доли смолы приводит к росту прочности и водостойкости плит. Однако, учитывая, что себестоимость еѐ составляет 20…30% себестоимости ДСП, приходится ограничивать содержание абс. сух. КФС от массы абс. сух. стружки на уровне 9,5…15,5%. Выбор конкретного значения внутри этого диапазона зависит от параметров прессования, вида плит, породы древесины, качества сырья, из которого изготовлена струж-

8

ка, и от дисперсного состава древесных частиц. Расход связующего различен по слоям ДСП.

Хорошее склеивание стружки можно достичь и при сравнительно небольшом расходе КФС. Для этого еѐ необходимо распределить по поверхности древесных частиц не сплошной пленкой, а в виде мелких капель, что приводит к склеиванию в отдельных точках. Такое склеивание обеспечивает достаточное количество точек контакта стружек для образования структуры ДСП.

Исследования показали [2], что оптимальный средний диаметр капель связующего находится в диапазоне 8…35 мкм. При этом обязательным условием является равномерное распределение капель КФС по поверхности древесных частиц, что обеспечивается правильной технологией смешивания стружки со связующим. При принятых в производстве плит нормах содержания связующего оно распределяется по поверхности древесных частиц в количестве 1…7 г/м2.

Цель работы:

— определение зависимости прочности при сдвиге клеевого шва от расхода связующего вещества.

Материалы и оборудование

Карбамидоформальдегидная смола товарной концентрации; раствор хлорида аммония 20%-ной концентрации; образцы трехслойной фанеры размером 120×20 мм; стеклянный стакан объемом 25…50 мл; весы аналитические; пипетка на 1 мл; наконечник микропипетки; лабораторный гидравлический пресс; универсальная испытательная машина.

Порядок проведения работы

В стеклянном стакане взвешивают 10 г смолы. К смоле добавляют рассчитанное количество воды для доведения ее концентрации до 50…60% (по заданию преподавателя) и рассчитанное количество 20%-ного раствора хлорида аммония (1% абс. сух. NH4Cl от массы абс. сух. смолы).

На 10 образцах фанеры карандашом отмечают площадки склеивания размером 15×20 мм (рис. 2.1), зачищают их мелкой шлифовальной шкуркой, взвешивают на электронных (приблизительная масса) и аналитических весах (точная масса).

15

150

9

Рассчитывают массу связующего, которую необходимо нанести на площадку склеивания, исходя из удельного расхода связующего в диапазоне 1…10 г/м2 (конкретные уровни задаются преподавателем):

где m — масса связующего, г; Qуд — удельный расход связующего, г/м2;

S— площадь склеивания, мм2; C — концентрация связующего, %. Связующее наносят на площадку склеивания при помощи наконечни-

ка микропипетки, равномерно располагая капли по площади. Массу нанесенного связующего определяют путем взвешивания образца, рассчитывают фактический удельный расход связующего.

Для записи данных используют табл. 2.1.

Т а б л и ц а 2 . 1

Результаты взвешивания образцов

Расшифровка граф таблицы:

1 — порядковый номер образца;

2 — mф–1 — приблизительная масса образца фанеры, определенная на электронных весах с точностью до 0,1 г;

3 — mф–2 — точная масса образца фанеры, определенная на аналитических весах с точностью до 0,0001 г;

4 — mсм–1 — масса смолы, которую необходимо нанести на площадку склеивания образца фанеры, рассчитанная по формуле;

5 — mф–2 + mсм–1 — получают путем сложения данных графы 3 и 4;

6 — mф–3 — фактическая масса образца фанеры после нанесения связующего, определенная на аналитических весах с точностью до 0,0001 г;

7 — mсм–2 — фактическая масса навески связующего, нанесенная на площадку склеивания образца фанеры. Получают путем вычитания данных графы 3 из данных графы 6;

8 — Qуд — фактический удельный расход связующего, рассчитанный с использованием формулы (2.1).

Образцы с близкими значениями удельного расхода накладывают друг на друга площадками склеивания, рассчитывают среднее значение удельного расхода связующего для каждой пары образцов. Пары образцов раскладывают на металлическом поддоне, на концах располагают прокладки из фанеры толщиной, равной толщине образцов (рис. 2.2).

10