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 дощечекувеличить полезный выход дощечек из исходного сырьядополнительно использовать отходы фанерного производстваувеличить объемы производства отечественных деревянных карандашейупростить технологию производства дощечек и карандашейснизить о. себестоимость 1 м 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.

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.