Производство мягких древесностружечных плит

Повышенный интерес к древесным композиционным материалам (композитам) обусловлен рядом причин: низкой стоимостью древесного сырья, малыми затратами труда и энергии при производстве древесных композиционных материалов и изделий из них, ценными, а в отдельных случаях и уникальными, свойствами этих композитов, непрерывной возобновляемостью древесных ресурсов и др.

По данным Отдела леса и лесных продуктов продовольственной сельскохозяйственной комиссии Организации Объединенных Наций (ФАО ООН), производство в мире только трех древесных композиционных материалов в объемных единицах превосходит производство сталей, пластмасс и алюминия.

Композиционные материалы состоят из двух или более компонентов (фаз), между которыми имеется граница раздела.

Понятие композиционного материала в широком смысле, безусловно, включает и природные материалы, например древесину. Таким образом, древесными композиционными материалами должны быть названы материалы, состоящие из древесины или ее частиц и одного или нескольких других компонентов (металла, полимера, минерала), между которыми имеется граница раздела.

В древесном композите граница раздела между компонентами может проходить по наружной поверхности и по внутренней поверхности, т.е. по поверхности сосудов, волокон и пор древесины.

Увеличение производства древесных композитов в значительной мере определяется тем, что объем потребления материалов на планете каждые 11 лет удваивается, а запасы сырья для производства традиционных материалов ограничены и не восстанавливаются.

В этих условия особенно пристальное внимание обращено на древесные материалы. Ежегодный прирост твердой биомассы лесов мира 50 млрд. т, прирост промышленной древесины составляет 3,5–4 млрд.т в год, а добывается в мире лишь 1,1–1,3 млрд. т в год. Из всего лесного массива используется около 7,5% древесины, причем в так называемых «отходах» оказывается не менее 30% промышленной древесины. Следовательно, сейчас в мире образуется 330–1200 млн. т (ориентировочно 660–2400 млн. плотных кубометров) «отходов» древесины, из которых можно изготавливать композиционные материалы в количествах, равных выпуску стали, алюминия и пластмасс, вместе взятых по массе. Эта сырьевая база не иссякнет и в дальнейшем, так как лес непрерывно возобновляется и жизнь на планете возможна лишь при наличии леса, дающего кислород и защищающего людей экологически. Возобновляемость и высокая экономическая эффективность − основные факторы, гарантирующие древесным композитам положение материалов будущего. Их дополняют невысокая плотность (50–1400 кг/м³), достаточная прочность (до 300 МПа).

Древесные пластики (wood plastics, holzplaste, plastiques du bois) – материалы на основе древесины, подвергнутой термической обработке под давлением (пластификации). Древесные пластики делятся на: 1) древесину прессованную (пластифицированную); 2) древесно-слоистые пластики; 3) древесную пресскрошку; 4)древесные плиты (древесноволокнистые и древесностружечные).

Древесные плиты. ДВП.

Основные понятия

Древесноволокнистыми плитами называются листовые материалы, сформированные из переплетных древесных волокон. Изготавливают их из древесных отходов или из низкокачественной древесины. В отдельных случаях в зависимости от условий снабжения предприятия сырьем применяют одновременно как древесные отходы, так и древесину в круглом виде. Наиболее распространенные способы изготовления плит – мокрый и сухой. Промежуточными между ними, причем менее распространенными, будут мокро-сухой и полусухой способы.

Мокрый способ основан на формировании ковра из высушенной древесноволокнистой массы в водной среде и горячем прессовании нарезанных из ковра отдельных полотен, находящихся во влажном состоянии (при относительной влажности 60–70%).

Сухой способ основан на формировании ковра из высушенной древесноволокнистой массы в воздушной среде и горячем прессовании полотен, имеющих влажность 5–8%.

Полусухой способ основан на формировании ковра из высушенной древесноволокнистой массы в воздушной среде и горячем прессовании полотен, имеющих влажность 16–18 %.

Мокро-сухой способ основан на формировании ковра из древесноволокнистой массы в водной среде, сушке полотен и горячем прессовании сухих полотен, имеющих влажность, близкую к нулю.

В волокнистую массу для придания водостойкости вводят различные эмульсии (парафиновые, смоляные, масляные) и осадители (сернокислый алюминий). Плиты формируются на отливочных машинах. Влажность плит после отливок достигают 70%. По этому изоляционные плиты поступают на сушку, а твердые и полутвердые прессуют в горячих многоэтажных прессах (t 135 –180 ⁰C). Твердые и сверх твердые плиты затем проходят закалку при t 150 – 170 ⁰C с последующим увлажнением до 5 – 7% (по массе).

В основу деления плит на виды и марки положены средняя плотность и прочность при изгибе. В зависимости от средней плотности ДВП разделяют на виды: мягкие (М) со средней плотностью не более 350 кг/м³; полутвердые (ПТ) — не менее 400 кг/м³; твердые (Т) — не менее 850 кг/м³ и сверхтвердые (СТ) — не менее 950 кг/м3.

В зависимости от прочности при изгибе ДВП разделяют на марки: М-4; М-12; М-20; ПТ-100; Т-350; Т-400; СТ-500. В условном обозначении марки цифры отражают величину прочности при изгибе в кгс/см² или в МПа, если цифровые индексы уменьшены в 10 раз.

Существенный показатель качества сверхтвердых, твердых и полутвердых плит – гигроскопичность. Стандарт допускает величину набухания плит после суточного нахождения испытываемых образцов в воде: для твердых и полутвердых – не более 20%, а для сверхтвердых не более 12%. Водопоглощение же установлено: для сверх твердых плит – 15%, для твердых – 30%, для полутвердых – 40%. Плиты, изготовленные сухим способом, обладают значительно меньшей гигроскопичностью 10 – 12% так как при их изготовлении применяют фенолформальдегидные смолы.

Сырье для производства ДВП

Сырьем для ДВП могут служить любые волокнистые материалы растительного происхождения, если их волокна достаточно длинные, гибкие и прочные: все виды древесины, стебли пшеницы, хлопчатника, кукурузы, кенафа и др. Однако основными видами сырья, широко используемыми в производстве, являются: неделовая древесина, т.е. непригодная для строительных и иных целей (долготье и коротье); отходы лесопиления (горбыль, рейка, вырезки); отходы спичечного и фанерного производства (шпон некондиционный, брак соломки и лом коробки); бумажная макулатура.

Целесообразность применения того или иного вида сырья зависит, прежде всего, от того, есть ли оно в данном районе, от стоимости, условий доставки к месту переработки.

Основное сырье — древесина — состоит из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы, образующих оболочку клеток, а также из смол, эфирных масел, дубильных и красящих веществ, заполняющих клетки. Целлюлоза — химически стойкое вещество, не растворяющееся в воде и гидролизующееся при давлении 1...1,5 МПа и температуре 180°С. Строение ее кристаллическое, состоит она из кристаллитов — мицелл в виде палочек длиной 500...700 А и толщиной 50...60 А. Мицеллы и фибриллы составляют клетки удлиненной волокнообразной формы. В древесине лиственных пород такие клетки, занимающие 60...65% объема, называют волокнами либриформа, их длина около 1 мм; в древесине хвойных пород содержание волокнообразных клеток — трахеид — длиной 3...10мм достигает 90...95% по объему. Трахеиды длиннее, толще и прочнее, чем волокна либриформа, поэтому в производстве ДВП предпочтение отдается древесине хвойных пород.

Лигнин — аморфное вещество, представляющее собой сложное сочетание нескольких химических соединений. Химически он менее стоек, чем целлюлоза, но не гидролизуется. В производстве ДВП лигнин повышает выход массы и в процессе прессования способствует образованию дополнительных связей между волокнами. Гемицеллюлоза по составу близка к целлюлозе и состоит из пентозанов и гексозанов. Гексозаны при горячем прессовании гидролизуются и способствуют образованию смолоподобных продуктов.

Технология производства мягких (изоляционных) ДВП

Технология древесноволокнистых плит довольно сложна и энергоемка. Процесс производства ДВП можно разделить на две практически самостоятельные части: получение древесных волокон путем последовательного измельчения древесины и переработка волокон в изделия.

Получение древесных волокон — процесс весьма многодельный и энергоемкий, он включает следующие последовательно осуществляемые операции: снятие коры с древесины (окоривание), распиловку дровяного долготья, колку толстых чураков, рубку древесины в щепку, размол щепы и получение волокнистой массы. Далее производят подготовку волокнистой массы путем ее сортировки, сгущения и проклейки.

Формование изоляционных ДВП осуществляют мокрым способом из гидромасс, который основан на свободном их обезвоживании с последующим вакуумированием и подпрессовкой. Производственный процесс заканчивается сушкой изделий.

Прочность мягких ДВП обеспечивается только за счет переплетения древесных волокон, (свойлачиваемое), поэтому к древесному волокну для этого типа продукции предъявляют повышенные требования. Для обеспечения лучшей свойлачиваемости волокна должны иметь высокую удельную поверхность и быть достаточно длинными, поэтому в данном случае предпочтение отдается древесине хвойных пород.

Технологическая схема производства мягких (изоляционных) ДВП

Стадия приготовления щепы

Приготовление щепы осуществляют из предварительно окоренной древесины. Окоривание поступившего на завод сырья (длинномерной древесины, коротья, отходов лесопиления и т. п.) производят в корообдирочных барабанах, водоструйных корообдирках или на ножевых корообдирочных станках. Кора ухудшает внешний вид изделия, увеличивает его водопоглощение при содержании ее в массе свыше 17% существенно снижает механическую прочность.

Освобожденная от коры древесина поступает на грубое измельчение. Длинноразмерную древесину распиливают дисковыми пилами с горизонтальной (балансирные пилы) или вертикальной (маятниковые пилы) качающейся рамкой. Толстые чураки раскалывают на дровокольных станках с неподвижным или движущимся поступательно-возвратно клином. Полученные заготовки длиной 1500 мм измельчают в щепу на специальных рубильных машинах, рабочим органом которых является массивный стальной диск толщиной 100 мм и более и диаметром до 3000 мм, на котором закреплены ножи. В зависимости от диаметра диска количество ножей может изменяться от 10 (при диаметре 2000 мм) и более. Диск приводится во вращение электромотором, его частота вращения 585 мин^-1.

Древесину легче рубить вдоль волокон, чем поперек, поэтому поленья подаются к диску под углом 35... 45° по специальному наклонному лотку.

Для нормальной работы размольных агрегатов необходимо получать щепу одинаковых размеров: длина вдоль волокон 20...25 мм, поперек волокон 15...30 мм и толщина 3...5 мм. Из рубильной машины щепа выходит неодинаковая по величине, поэтому она сортируется на вибрационных плоских или барабанных ситах. Отсортированная щепа подается на мелкое измельчение к размольным агрегатам. Предварительно ее промывают в промывочном баке и затем на обезвоживающем винтовом конвейере, где щепу дополнительно промывают, свежей водой.

Стадия получения древесного волокна

Получение древесного волокна осуществляют одним из трех способов: механическим, термомеханическим или химико-механическим.

Необходимость размола заключается в получении тонких волокон с длиной, обеспечивающей хорошую свойлачиваемость при формировании ковра. Качество получаемого волокна (толщина и длина) зависит от породы применяемой древесины и способа его получения.

Качество волокна оценивается по скорости обезвоживания гидромассы. С учетом этого сконструирован прибор, с помощью которого по скорости свободного водоотделения определяют тонкость помола волокна в градусах Шопера-Риглера (°ШР) — автора прибора.

Механический способ получения волокна основан на истирании чураков быстровращающимися рифлеными дисками без прогрева или с прогревом древесины, с применением химических веществ и других средств, облегчающих размол древесины. Процесс развертывания удельной поверхности древесноволокнистой массы при этом способе размола связан с большой затратой энергии. Как правило, в размольные аппараты добавляют большое количество подогретой воды для облегчения размола и повышения выхода кондиционной волокнистой массы. Механический способ размола не нашел широкого применения вследствие больших затрат электроэнергии (800 кВт на 1 т сухой волокнистой массы) и невозможности переработки древесины в виде щепы.

Термомеханический способ размола древесины основан на двустадийной обработке щепы: предварительном разогреве ее горячей водой (не ниже 70°С) или паром высокого давления с температурой 170...190°С и последующем истирании ее между вращающимися с разной скоростью или в разные стороны рифлеными дисками. Разогрев щепы обычно производят в специальной камере размольной машины (дефибратора или рафинатора). Под воздействием теплоты и влаги лигнин древесины размягчается, ослабляя связи между волокнами; легко гидролизуемые углеводы гидролизуются и расщепление древесины на волокна существенно облегчается.

Древесное волокно, получаемое этим способом, характеризуется ненарушенной структурой при высокой тонкости помола. В зависимости от требуемой тонкости волокон размол осуществляют в одну или две стадии. При производстве мягких ДВП необходим двустадийный размол.

Для первичного помола применяют дефибраторы или быстроходные рафинеры — машины с быстровращающимися рифлеными дисками, а для повторного — рафинаторы, голлендеры, обеспечивающие тонкий размол при более мягком воздействии на древесину. Термомеханический способ наиболее распространен в практике приготовления древесноволокнистой массы, для него характерно получение массы с высоким содержанием длинных и тонких волокон при сравнительно небольшом расходе электроэнергии (200...260 кВт на 1 т сухого волокна), что достигается за счет термовлажностной обработки щепы.

Химико-механический способ основан на различной растворимости компонентов древесины в слабом растворе щелочи и реализуется в два этапа: проваривание древесной щепы в слабощелочном растворе и механический размол проваренной щепы. При варке древесины в слабощелочном растворе происходит полное постепенное растворение лигнина и частичное гемицеллюлозы и инкрустирующих веществ, соединяющих волокна. Это существенно облегчает размол древесины и обеспечивает получение эластичных длинных волокон, пригодных для производства высококачественных мягких плит.

Однако этот способ не получил широкого применения вследствие сложности химической подготовки сырья перед размолом и малого выхода волокна (до 80%).

Полученную при первичном размоле древесную массу разбавляют водой до концентрации 0,3...0,5% и подвергают мокрой сортировке путем пропускания гидромассы через плоские сита с размером отверстий 5...6 мм. Недомолотые частицы сгущают до 4...5% и направляют на повторный размол. Гидромассу из кондиционных волокон направляют на вторичный помол, для которого широко используют голендоры непрерывного действия, в которых получают эластичное и хорошо гидратированное волокно.

Стадия подготовки волокнистой массы

Подготовка волокнистой массы для формования плит включает повышение концентрации волокон до 2,5...3% с целью уменьшения емкости массовых бассейнов и снижения электроэнергии, потребной на ее перекачку, и проклейку массы.

Сгущение гидромассы производят в особых аппаратах — сгустителях, из которых ее затем перекачивают или направляют самотеком в массовые бассейны, оборудованные смесительными механизмами. Проклейку волокнистой массы (обработка ее эмульсиями химических веществ) производят при непрерывном перемешивании гидромассы для улучшения свойств готовых изделий. Прочность ДВП повышают введением в гидроволокнистую массу водных эмульсий окисляющихся масел (льняного, конопляного и др.) либо синтетических (фенолоформальдегидных и др.) смол. Повышения водостойкости достигают введением гидрофобных эмульсий, в основном парафиновой, канифольной, битумной, в количестве до 2%. Эмульсия осаждается на волокно в кислой среде (pH — 4...5); для получения такой среды в гидромассу вводят серную кислоту (1%) или сернокислый глинозем (0,5%). Повышения биостойкости ДВП добиваются введением в гидромассу антисептиков (фтористого и кремнефтористого натрия, крезола и др.). Огнестойкость повышают за счет введения антипиренов (сернокислого аммония, железоаммонитофосфата и др.).

Следует отметить, что введение перечисленных водорастворимых добавок эффективно при сухом способе производства ДВП, т. е. твердых их разновидностей. При мокром же способе (при получении мягких ДВП) эффект проклейки заметно снижается, так как при обезвоживании ковра во время формования изделий часть добавок уходит из массы с отжимными водами.

Стадия формования

Формование мягких ДВП осуществляют на отливочных машинах непрерывного и периодического действия. Обезвоживание волокнистой гидромассы на отливочных машинах происходит последовательно путем свободной фильтрации воды через сетку, отсоса вакуумированием и отжима подпрессовкой.

При свободной фильтрации взвешенные в воде волокна сближаются и переплетаются, возникают силы сцепления друг с другом, т. е. происходит свойлачивание. При этом гидромасса обезвоживается и на сетке машины формируется ковер с относительной влажностью 90...92%. Дальнейшее понижение влажности и уплотнение ковра происходят вакуумированием и отжимом (до влажности 60...70%).

Наибольшее распространение для формования ДВП получили длинносетчатые отливочные машины непрерывного действия. Процесс формирования на этих машинах осуществляется следующим образом. Гидромасса через щель поступает на непрерывно движущуюся ленту отливочной машины, огражденную бортами. Для улучшения переплетения волокон на отливочных машинах устанавливают вертикальный вибратор. Свободная фильтрация воды прекращается при достижении концентрации волокна в массе 7...10%, далее масса поступает в отсасывающую часть машины, оборудованную вакуум-насосами, где ее концентрация увеличивается до 12...16%. Дальнейшее обезвоживание ковра происходит между двумя сетками в прессовой части машины, включающей несколько прессов с постепенно возрастающим давлением. Проходя через прессы, масса уплотняется, ее толщина уменьшается, а влажность достигает конечной величины 55...70%. Отформованный таким образом ковер с помощью пил поперечной и продольной резки раскраивается на плиты заданных размеров, которые направляются на тепловую обработку.

Стадия тепловой обработки

Тепловую обработку мягких ДВП производят в трехзонных многоэтажных роликовых сушилках непрерывного действия, работающих по принципу противотока с рециркуляцией теплоносителя. Длина роликовых сушилок может колебаться от 30 до 90 м. Чаще используют сушилки длиной 30 м. Продолжительность сушки при температуре теплоносителя 130...160°С составляет 3 ч. В конце сушки предусмотрена зона охлаждения.

Следует отметить, что производство ДВП является энергоемким. В среднем на 1 т плит затрачивается 550 ...650 кВт-ч электроэнергии, 4...4,5 т пара и около 110 кг условного топлива. Высокая энергоемкость объясняется большими затратами электроэнергии, идущими на помол древесины. В процессе производства затрачивается значительное количество топлива на тепловую обработку сырья и сушку изделий.

Применение

Изоляционные плиты используют для тепло- и звукоизоляции стен, потолков, полов, перегородок и междуэтажных перекрытий, утепления кровель (особенно в деревянном домостроении), акустической отделки специальных помещений (радиостудий, машинописных бюро, концертных залов и т.п.). Стандартные изоляционные плиты применяют для дополнительного утепления стен, потолков и полов, а также для увеличения прочности стенных каркасов. Они могут быть применены для внутреннего покрытия и потолков перед окончательной отделкой. Ветрозащитные изоляционные плиты применяются для уплотнения и упрочнения внешних стен, потолков и крыш зданий. Их также применяют в качестве выравнивающих слоев под твердые покрытия полов и звукоизоляционных прокладок.

Изготовление ДВП – один из перспективных способов использования древесных отходов и неделовой древесины.

Список литературы

1. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий: Учеб. для вузов по спец. “Пр-во строит. изделий и конструкций”. − М.: Высш. шк., 1989.

2. Вигдорович А.И., Сагалаев Г.В., Поздняков А.А. Древесные композиционные материалы машиностроения: справочник. М: Машиностроение, 1991.

3. Ковальчук Л.М. Производство деревянных клеевых конструкции. М: Лесная промышленность, 1987.

5. Ребрин С.П., Мерсов Е.Д., Евдокимов Е.Г. Технология древесноволокнистых плит. М: Лесная промышленность, 1982.

6. Эльберт А.А. Химическая технология древесностружечных плит М: Лесная промышленность, 1984.

Производство мягких древесностружечных плит

Производство мягких древесностружечных плит

Похожие работы на - Производство мягких древесностружечных плит