Физико-химические основы образования древесных плит
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Деревообрабатывающая промышленность
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Леонович Адольф Ануфриевич
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 264
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1282-7
Артикул: 816204.01.99
Описаны явления, происходящие в условиях прессования при контакте древесных частиц и волокон с адгезивом и между собой: смачивание, адгезия, когезия, релаксация. Рассматриваются вязкоупругие свойства компонентов древесины и раскрывается их роль в межволоконном взаимодействии. Анализируются процессы тепло- и массопереноса при горячем прессовании плит. Содержится описание эффективных методов совершенствования технологии и улучшения свойств древесно- плитных материалов, огне- и биозащиты, водостойкости, снижения плотности и др. Для студентов лесотехнических вузов, а также инженерно- технических и научных работников предприятий деревообрабатывающей и химической промышленности.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
А. А. Леонович ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022 1
УДК 674.06 ББК 37.13 Л47 Рецензенты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В. И. Корнеев; заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор О. Н. Русак Леонович А. А. Л47 Физико-химические основы образования древесных плит : учебное пособие / А. А. Леонович. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 264 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1282-7 Описаны явления, происходящие в условиях прессования при контакте древесных частиц и волокон с адгезивом и между собой: смачивание, адгезия, когезия, релаксация. Рассматриваются вязкоупругие свойства компонентов древесины и раскрывается их роль в межволоконном взаимодействии. Анализируются процессы тепло- и массопереноса при горячем прессовании плит. Содержится описание эффективных методов совершенствования технологии и улучшения свойств древесноплитных материалов, огне- и биозащиты, водостойкости, снижения плотности и др. Для студентов лесотехнических вузов, а также инженернотехнических и научных работников предприятий деревообрабатывающей и химической промышленности. УДК 674.06 ББК 37.13 ISBN 978-5-9729-1282-7 Леонович А. А., 2022 © СПбГЛТУ им. С. М. Кирова, 2022 Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
ОГЛАВЛЕНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И СИМВОЛОВ ....................................................................................... 6 ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................... 7 ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................ 8 1. ЭКОЛОГИЯ И ДРЕВЕСНОПЛИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ......... 10 1.1. Задачи совершенствования древесноплитного производства .... 10 1.2. Общие стадии изготовления и виды древесных плит ................. 12 1.3. Производство древесных плит в мире и состояние отечественной промышленности ............................ 15 1.4. Свойства древесных плит .............................................................. 18 Капиллярно-пористая структура ............................................... 18 Требования к стружечным плитам ........................................... 21 Требования евростандартов к волокнистым плитам ............... 22 2. ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ .................................................. 27 2.1. Когезия ............................................................................................. 28 2.2. Характеристики прочности ............................................................ 32 2.3. Механизм разрушения полимеров ................................................ 33 2.4. Кинетическая концепция прочности ............................................. 39 2.5. Уровни изучения прочности .......................................................... 42 3. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ..... 50 3.1. Смачивание ..................................................................................... 50 3.2. Адгезия ............................................................................................ 54 Теории адгезии полимеров ........................................................ 56 Прочность адгезионных соединений ........................................ 59 3.3. Полная схема клеевого соединения. Основные параметры адгезивов ................................................... 64 4. ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСНЫХ ВОЛОКОН ................................................................. 72 4.1. Физические состояния полимеров ................................................ 72 4.2. Релаксационные явления................................................................ 76 4.3. Температурные переходы компонентов древесины .................... 79 4.4. ТМ-Анализ в изучении механизма плитообразования ................ 82 3
5. ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫЕ ПЛИТЫ ........................................ 89 5.1. Моделирование структуры ДСП ................................................... 90 5.2. Древесное сырье и связующие ...................................................... 95 Древесина .................................................................................... 95 Связующие .................................................................................. 99 5.3. Распределение связующего на древесных частицах.................. 106 Распределение связующего по профилю шероховатости ..... 107 Распределение связующего по поверхности древесных частиц ..................................................................... 109 5.4. Сущность процесса горячего прессования ДСП ........................ 113 Адгезия ...................................................................................... 115 Отверждение связующего ........................................................ 116 Сушка ........................................................................................ 119 Релаксация................................................................................. 119 5.5. Образование сетчатого полимера ................................................ 121 5.6. Процессы тепло- и массопереноса при горячем прессовании ДСП ................................................... 128 6. ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫЕ ПЛИТЫ ................................... 135 6.1. Размол древесного сырья ............................................................. 137 Методы получения древесноволокнистой массы .................. 137 Экспериментальные факты ...................................................... 138 6.2. Теоретические представления о размоле .................................... 141 6.3. Прессование ДВП ......................................................................... 149 6.4. Химические превращения компонентов древесины .................. 152 6.5. Экстрактивные вещества в образовании ДВП ........................... 159 6.6. Межволоконное взаимодействие ................................................ 163 7. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ ......................................... 167 7.1. Снижение токсичности ДСП ....................................................... 168 Выделение формальдегида из ДСП ........................................ 169 Снижение содержания формальдегида в ДСП ...................... 172 Снижение токсичности с использованием диоксида кремния ..................................................................... 174 Приоритетные требования к акцепторам ............................... 179 7.2. Водостойкость древесных плит ................................................... 180 Поглощение воды древесными плитами ................................ 182 Придание водостойкости ......................................................... 186 Гидрофобизация ДСП парафиновой эмульсией .................... 191 7.3. Огнезащита ДСП .......................................................................... 197 4
Принципы снижения горючести древесины .......................... 199 Требования к антипирену ........................................................ 201 Технология огнезащиты ДСП ................................................. 204 ОДСП на карбамидном связующем ........................................ 205 ОДСП на фенольном связующем ............................................ 208 8. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ....................................... 211 8.1. Снижение пожарной опасности................................................... 211 Химическая теория огнезащиты ............................................. 212 Функции Р- и N-содержащих антипиренов в образовании ОДВП................................................................ 214 Технологические особенности ................................................ 220 Свойства огнезащищенных ДВП ............................................ 221 8.2. Биозащита древесных плит .......................................................... 223 Биологические агенты разрушения древесины ..................... 226 Условия развития дереворазрушающих грибов .................... 229 Условия службы древесных плит ........................................... 233 Проектирование химической защиты древесных плит от биоповреждений .................................................................. 237 Антисептики ............................................................................. 239 Меры биозащиты ............................................................................ Консервирование древесных плит .......................................... 241 Защита древесноплитных материалов от древоточцев ......... 249 8.3. Снижение плотности .................................................................... 250 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................. 255 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................ 257 ПРИЛОЖЕНИЕ ................................................................................. 260 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ....................................................... 262 5
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И СИМВОЛОВ а. с. - абсолютно сухой ДВП - древесноволокнистая плита ДСП - древесностружечная плита ДТА - дифференциальный термический анализ КФС - карбамидоформальдегидная смола НПБ - нормы пожарной безопасности СНиП - строительные нормы и правила ТГ - термогравиметрия ТГП - термогравиметрия по производной ТМА - термомеханический анализ ФФС - фенолоформальдегидная смола а - ударная вязкость Dm - коэффициент дымообразования Еупр - модуль упругости 'Н - теплота сгорания НCL50 - показатель токсичности J - индекс распространения пламени 'm - потеря массы при огневом испытании MDF - древесноволокнистая плита средней плотности OSB - древесностружечная плита ориентированной структуры 'S - разбухание (набухание) по толщине Wад - работа адгезии (смачивание) tбр - продолжительность активного биологического разрушения tсг - продолжительность самостоятельного горения H - деформация Hр - предельная деформация при ударе T - краевой угол смачивания U - плотность V - прочность Vизг - прочность при изгибе Vр - ударная прочность Vсд - прочность при сдвиге VA - прочность при растяжении перпендикулярно пластин 6
ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Физико-химические основы образования древесных плит» и предназначается студентам, обучающимся по направлениям химической технологии (05.21.03, 18.03.01, 18.03.02, 35.03.02) и технологии деревообработки. Курс как самостоятельная дисциплина был организован и стал читаться автором в 1995 году. В разные годы программа варьировалась в отношении как общего объема, так и почасового распределения лекций и лабораторных работ. Настоящее пособие предполагается использовать в рамках бакалавриата и при дальнейшей магистерской подготовке при избирательном выполнении или выпускных квалификационных работ. Кроме того, как показывает преподавательский опыт автора, многие вопросы из курса включаются в индивидуальные программы повышения квалификации работников отрасли. В силу этого материал пособия включает и близкие к актуальным задачам промышленности аспекты. В первую очередь это относится к научным основам повышения качества древесноплитной продукции, в частности к модифицированию, повышению экологической безопасности, снижению горючести, приданию биостойкости и других параметров плит. Основное содержание пособия составляют лекции, которые многие годы автор читал студентам специалитета, а также монография с таким же названием, выпущенная в 2003 году. В пособие включены отдельные научные результаты диссертаций, выполненных под руководством автора. Этим обусловлена расширенность библиографического аппарата. Автор надеется, что книга окажется полезной как тем, кто приступает к освоению профессии, так и работающим в этой области, но обладающим разрозненными теоретическими знаниями, как введение в более глубокое изучение явлений и процессов образования конкретных видов древесных плит для совершенствования технологии, обоснования параметров изготовления и придания плитам заданных свойств. 7
ВВЕДЕНИЕ Численность населения планеты составила 8 миллиардов, тогда как до 1800 г. на Земле проживало менее одного миллиарда человек. Резко выросли и потребности общества в продукции, энергии, информации, услугах, а концентрация загрязняющих веществ в окружающей среде начинает превышать допустимые нормы. Нарушение экологического равновесия все чаще выходит за рамки регионального масштаба. Нынешнее состояние общепланетарной цивилизации и биосферы оценивается учеными как глобальный экологический кризис. Он характеризуется переходом возобновляемых ресурсов в невозобновляемые и нарушением биогеохимических круговоротов, которые уже не могут поддерживать самовозобновляемые состояния лесов и почв, возобновление запасов чистой воды, постоянство газового состава атмосферы, разнообразие биоты. Это дополняется эндоэкологическим отравлением высших организмов тяжелыми металлами, радионуклидами и химическими токсинами, которые нарушают их генетический аппарат. Приводятся расчеты, согласно которым биосфера сама справится с антропогенными загрязнениями только при том условии, если площадь под лесами и болотами будет увеличена в два раза, но для удвоения потребуется десятикратная депопуляция. Стратегия выживания человечества требует преобразования самого человека и принципиально нового технико-технологического перевооружения. Сюда в том числе относятся переход на малоотходные ресурсосберегающие технологии и максимально возможное сохранение лесов. Безотходность недостижима как противоречащая второму началу термодинамики. Потери (отходы) материальные, энергетические, информационные всегда сопутствуют производству. Сегодня ясно, что малоотходность технологий не может ограничиваться лишь совершенствованием способов очистки газовых выбросов и сточных вод, базирующихся на принципе «на конце трубы». Степень очистки пропорцио8
нальна приложенной энергии, источником которой служат электростанции, сами отрицательно воздействующие на природу. Распространенные на деревоперерабатывающих заводах системы биоскрубберной очистки вентиляционных выбросов связаны с наличием сточных вод и высоким электропотреблением. Производство бумаги, картона, древесноволокнистых плит по традиционному мокрому способу с неизбежностью требует установки мощных очистных сооружений. Даже производство синтетических смол включает утилизацию надсмольной воды. В соответствии с задачами создания экологически чистых технологий требуется эффективное воздействие на процессы сокращения количества отходов в источнике их образования. Если нельзя нейтрализовать техногенную нагрузку до уровня, допустимого по возможностям окружающей среды «утилизировать» ее, необходимо ограничить мощность производства. Последнее приходит в противоречие с механизмом стихийного рынка. 9
1. ЭКОЛОГИЯ И ДРЕВЕСНОПЛИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1.1.ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДРЕВЕСНОПЛИТНОГО ПРОИЗВОДСТВА В производстве древесноплитных материалов, как в капле воды, отражаются затронутые экологические проблемы. В среднем на образование 1 т органического вещества леса поглощается из атмосферы 1,5...1,8 т диоксида углерода и выделяется до 1,4 т кислорода. Функции леса в экологическом плане (жизнеобеспечение, формирование климата, водо- и почвоохранная и др.) дополняются сырьевой функцией. Однако использование лесных ресурсов в нашей стране далеко от совершенства. Велики лесосечные отходы. Значительная часть вывезенной древесины - дровяная. При переработке пиловочника образуется до 40 отходов в виде опилок, горбылей, станочной стружки и др. Велика доля резервных лесов, освоение которых требует больших капиталовложений для создания соответствующей инфраструктуры: транспортных сетей, энергетики, строительства деревоперерабатывающих предприятий, населенных пунктов и др. Вовлечение веток и сучьев в производство древесноволокнистых плит (ДВП) способствует рациональному использованию древесного сырья. Изготовление и использование плит ориентированной структуры из крупноразмерной стружки (OSB - Oriented Strand Board) в строительстве вместо фанеры, на которую идет специальный фанерный кряж для получения качественного шпона, и производство древесностружечных плит (ДСП) из отходов механической переработки древесины позволяет в какой-то степени ограничивать объемы заготовляемой древесины. Подчеркивая важность сохранения лесов как источника кислорода, отметим, что че10