В 1972 году в Центральном научно-исследовательском институте фанеры (цнииф) была разработана технология изготовления

В 1972 году в Центральном научно-исследовательском институте фанеры (ЦНИИФ) была разработана технология изготовления
огнезащищенных древесностружечных плит (ДСтП) с использованием вермикулита [ 102].
Вермикулит в количестве 100 вес. ч. смешивали с 10-25 вес. ч. связующего в расчете на сухое вещество. Затем насыпали слой 8-15 мм с одной или двух сторон. При двусторонней облицовке плит вермикулитовым покрытием огнезащитный слой наносят на поддон до формирования стружечного ковра. Ковер формировали обычным способом и наносили второй огнезащитный слой. Указанная толщина слоя из смешанного со связующим вермикулита соответствует толщине запрессованного покрытия 2-6 мм. Сформованный ковер, состоящий из вермикулита и древесных стружек, содержащих связующее на основе мочевино-формальдегидной смолы, прессовали при температуре 140 - 180°С, давлении - 0,49-2,9 МПа в течение 3-15 мин [94].
Было установлено, что размер частиц вермикулита влияет на огнезащитные свойства покрытия. С увеличением их размера требуемое для огнезащиты весовое количество вермикулита повышается. При использовании смеси фракций вермикулита оптимален расход 1 кг на 1 м2 защищаемой поверхности [94].
Вермикулит представляет собой минерал из группы гидрослюд, вспучивающийся при температуре 400-1000°С с увеличением объема в 7 и более раз. Насыпная масса вспученного вермикулита составляет 100-200 кг/м3. Материал обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, не токсичен, не подвержен гниению и препятствует распространению плесени. Уникальные его технические характеристики -это температуростойкость, огнестойкость, отражающая способность, химическая инертность. Вермикулит является экологически чистым и биостойким продуктом. При повышенной температуре, возникающей при пожарах, не выделяет никаких газов, что является важным преимуществом по сравнению с другими известными материалами органического
происхождения. Этот комплекс свойств объясняет широкое использование вспученного вермикулита в различных отраслях промышленности.
Вермикулитовый концентрат производится из комплексных вермикулитовых руд. Из руды последовательно извлекаются рядовой, затем, на участке классификации, фракционированный концентраты. Технология получения вермикулитового концентрата включает гравитационные методы обогащения, а также метод воздушной сепарации. Вермикулитовый концентрат представляет собой частички слюды вермикулита, является сыпучим, зернистым, пористым, исключительно мягким материалом. При нагревании принимает форму удлиненных изогнутых столбиков. В основном вермикулитовый концентрат является сырьем для производства вспученного вермикулита.
Вспученный вермикулит является сыпучим, легким, высокопористым материалом, с характерной чешуйчатой структурой без запаха. Вермикулит во вспученном состоянии после удаления гидратной воды, имеет плотность от 80 до 150 кг/м3 и является прекрасной основой для формования из него различных по свойствам материалов.
В настоящее время известно большое количество огнезащитных покрытий, предназначенных для металлических, деревянных, кирпичных, бетонных, пластмассовых конструкций, и включающих в свой состав вермикулитовый концентрат.
Особо эффективным противопожарным огнезащитным материалом являются конструкционно-отделочные изделия (плиты) на основе вермикулита и неорганического связующего. Плита вермикулитовая неорганическая огнезащитная — это экологически чистый материал, который одновременно с высокой огнестойкостью сочетает в себе высокие показатели по звукопоглощению, теплоизоляции, а также обладает прекрасными декоративными свойствами с неограниченным сроком эксплуатации. Изделия представляют собой лёгкие негорючие плиты, не содержащие асбеста, волокон и органических компонентов. Плиты
химически нейтральны, инертны, не содержат щелочных примесей, не токсичны, биостойки, не оказывают раздражающего действия на кожу. В обычных условиях эксплуатации (от -50 до 50 °С) и в условиях воздействия высоких температур (до 1200 °С) не выделяют летучих токсичных веществ, опасных для здоровья человека и окружающей среды [103].
Вермикулитовый материал легко обрабатывается обычными деревообрабатывающими инструментами и быстро монтируется стандартными крепёжными элементами или высокотемпературным клеем ABK. Плиты вермикулитовые являются неорганическим материалом и соответствуют требованиям по пожарной безопасности, что дает возможность использовать их в строительстве, где присутствуют требования по обеспечению пожарной безопасности с показателем огнестойкости до 4-х часов. Вермикулитовые плиты производятся в промышленных условиях методом горячего прессования полусухой массы [104].
В то же время нет никаких сообщений о том, что когда-либо предпринимались попытки получить огнезащищенные ДВП с использованием вермикулитового концентрата или вспученного вермикулита. На наш взгляд, это направление является перспективным с точки зрения снижения пожарной опасности древесноволокнистых плит. Как было отмечено ранее, фракционный состав вермикулита оказывает влияние на огнезащитные свойства ДСтП [2, 102]. В связи с этим верно было бы предположить, что при получении ДВП из древесноволокнистой композиции с добавлением вермикулита, необходимо будет достичь определенного размера частиц минерала, а также особой степени разработанности древесного волокна.
1.3. Выводы. Постановка цели и задач исследований
Важнейшей задачей в лесной индустрии сегодня является комплексное и рациональное использование заготовляемой и перерабатываемой
древесины. В связи с этим все больше внимания уделяется увеличению темпов развития производства плитных материалов, которые в последние годы усиленно развиваются с целью переработки отходов лесопиления и низкокачественной древесины. Вовлечение разнотипных древесных отходов в производство древесноволокнистых плит (ДВП) способствует рациональному использованию древесного сырья.
В связи с возрастающим спросом на древесноволокнистые плиты, наблюдается рост требований и к их физико-механическим показателям, которые определяют дальнейшие возможности их использования в различных отраслях промышленности. Это обстоятельство, несомненно, требует проведения научных исследований в этом направлении для получения высококачественной продукции.
При изготовлении древесноволокнистых плит одним из основных процессов, определяющих качество готовой продукции, является процесс подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов, который представляет собой крупную технико-экономическую проблему данного производства.
В результате анализа научно-технической литературы был выявлен единичный случай применения вермикулита в плитном производстве с целью снижения пожарной опасности готовой продукции - древесностружечной плиты [102]. Однако при производстве ДСтП основную роль в формировании свойств плиты играет связующее, в то же время при производстве ДВП большее значение имеют процессы подготовки полуфабрикатов, от качества и степени размола зависят процессы отлива и обезвоживания ковра, процессы прессования и термовлагообработки плит и, соответственно, качественные показатели готовых плит [105]. Введение в древесную композицию минеральных добавок может повлечь за собой некоторое снижение физико-механических свойств готовой продукции, чего нельзя допустить. В связи с этим необходимо исследовать процессы подготовки вермикулита для последующего его использования в производстве древесноволокнистых плит, и на основании этих исследований установить
способ подготовки вспученного вермикулита. Данный способ должен позволить достичь такого фракционного состава минерала, при котором параметры пожарной опасности ДВП будут значительно снижены, а физико-механические свойства плит будут отвечать требованиям ГОСТ 4598-86.
В связи с этим очевидна актуальность настоящих исследований, посвященных разработке рациональных технологических схем размола и увеличения производительности существующего оборудования в производстве ДВП с получением высококачественной готовой продукции со сниженной пожарной опасностью.
Вышеизложенное определило цели и задачи данной работы.
Цель работы: Разработать научные основы получения и подготовки волокнистых материалов в производстве древесноволокнистых плит со сниженной пожарной опасностью.
Задачи исследования:
1. Изучить влияние фракционного состава и массовой доли вспученного вермикулита в древесноволокнистой композиции на параметры пожарной опасности готовой продукции.
2. Определить параметры пожарной опасности древесноволокнистых плит мокрого способа производства с добавлением вспученного вермикулита.
3. Изучить влияние параметров размола волокнистого полуфабриката на физико-механические свойства ДВП пониженной пожарной опасности.
4. Установить основные закономерности процесса производства ДВП пониженной пожарной опасности мокрым способом.
5. Разработать состав древесноволокнистой композиции для получения древесноволокнистых плит пониженной пожарной опасности мокрым способом.
6. Предложить технологию производства древесноволокнистых плит пониженной пожарной опасности мокрым способом.
2. Программа экспериментальных исследований
2.1. Теоретические взгляды на структурообразование ДВП
Свойства древесноволокнистых плит обусловлены капиллярно-пористой структурой исходной древесины, химическим составом древесного вещества, природой связующего и зависят от технологии переработки древесного сырья в готовую продукцию. Основные компоненты древесного волокна участвуют в образовании ДВП, выполняя при этом свои функции. Если целлюлоза является армирующим компонентом и ее деполимеризация и деструкция должны быть ограничены назначением параметров прессования ДВП, то лигнин и гемицеллюлоза формируют полимерную матрицу. Исключение их из композиции приводит к снижению качества плит [106].
В работе Н.Г. Чистовой [106] было представлено условное структурообразование плиты, согласно которому плита состоит из армирующих микроструктуру волокон, образующих пространственную сетку, поры которой заполнены неволокнистыми компонентами, мелкодисперсной волокнистой фракцией, воздухом и водой. Армирующие волокна имеют различную форму в сечении (круглую, эллиптическую и лентообразную) и значительную дисперсность по длине.
Согласно данной теории [106] неволокнистые компоненты оказывают влияние на степень связанности волокон и прочность межволоконных связей. Неволокнистые компоненты, входящие в состав плиты, по способности образовывать адгезионные связи можно подразделить на пассивные (наполнители) и активные (связующие). Частицы пассивных неволокнистых компонентов, попадая между армирующими волокнами, затрудняют их сближение в процессе формования полотна и не образуют адгезионных связей с волокном. Поэтому они в значительной степени оказывают влияние на величину относительной связанной поверхности армирующих структуру волокон. Активные неволокнистые компоненты и мелкодисперсная фракция волокна образуют адгезионные и когезионные связи с армирующими
структуру волокнами, тем самым увеличивают связанную поверхность волокон. В результате в плите образуются дополнительные связи «волокно -связующее - волокно», «волокно - мелкодисперсная фракция волокна -волокно».
Поскольку в предложенной модели структуры плиты межволоконные контакты имеют связи адгезионного и когезионного характера, то определяющие их параметры: удельная прочность и энергия разрушения межволоконных контактов, будут зависеть от количества и свойств введенных неволокнистых компонентов и мелковолокнистой фракции.
Мелкая фракция, в процессе ее тепловой или химической обработки, обладает повышенной гидрофильностью. В процессе формования они быстрее и полнее, чем высокомолекулярные, адсорбируют воду и выступают в качестве пластификаторов каркасных цепей, предотвращая разрыв связей между ними.
Под влиянием возникающих при отливе и прессовании усадочных напряжений происходит сближение волокон и фибрилл, а между близко расположенными структурными элементами - листа блоками срастания -устанавливаются связи. Стянутая структура полотна фиксируется за счет стеклования целлюлозы и других полимерных компонентов плитообразующих волокон (гемицеллюлоз, лигнина), для которых при прессовании происходит аналогичное изменение их физического состояния.
Вспученный вермикулит - минерал, который предлагается вводить в структуру древесноволокнистой плиты с целью снижения ее пожарной опасности является, естественно, неволокнистым компонентом, а следуя предложенной классификации, частицы вспученного вермикулита можно отнести к пассивным неволокнистым компонентам, которые оказывают значительное влияние на образование связей в плите, а, следовательно, и на физико-механические свойства плиты. В связи с этим, можно предположить, что древесноволокнистая масса для производства плит со сниженной пожарной опасностью должна характеризоваться более длинными
волокнами, так как определенное количество мелкой фракции, обеспечивающей увеличение показателя общей площади, на которой устанавливаются связи, будет замещено частицами минерала. Также очевидно, что размер частиц вводимого неволокнистого компонента будет оказывать определенное влияние на свойства готовой продукции. Однако, представленные теоретические предположения необходимо подтвердить экспериментальным путем. Для этого требуется провести планирование эксперимента, выбрать основные характеристики моделей, разработать математические модели с нормализованными значениями факторов.
2.2. Выбор основных направлений и методов исследования
Построение математических моделей объекта является важнейшей составной частью научного исследования. Целью наших экспериментальных исследований является получение эмпирических математических моделей, описывающих исследуемый объект, то есть отыскание зависимости каждой из выходных величин объекта от варьируемых факторов. Разработанные математические модели объекта являются хорошим инструментом исследования. С их помощью можно определить интересующие характеристики объекта, результаты влияния на него тех или иных факторов, оптимальные режимы функционирования и способы управления объектом.
Важным этапом экспериментальных исследований является планирование эксперимента.
Планирование эксперимента - это постановка и реализация опытов по некоторой заранее составленной схеме, обладающей некоторыми оптимальными свойствами.
При этом необходимо обеспечить минимальное количество опытов; одновременное варьирование всеми факторами, определяющими протекание процесса, по специальным алгоритмам, правильную обработку и интерпретирование результатов эксперимента [107].
Таким образом, в настоящей работе для решения поставленных задач были использованы методы математического планирования с целью получения математического описания процесса размола древесноволокнистой массы при изготовлении древесноволокнистых плит с пониженной пожарной опасностью.
Уравнения математического описания могут быть получены тремя методами: аналитическим; экспериментальным; экспериментально-аналитическим. В настоящем исследовании был применен экспериментальный метод. Поскольку, именно экспериментальные методы получения математических моделей применяют для сложных многофакторных процессов, которые теоретически изучены недостаточно. Математические зависимости, полученные этим методом, не отражают физической сущности объекта, только устанавливают количественные соотношения между его входными и выходными факторами. И это является первым шагом на пути исследования малоизученных процессов [108].
Экспериментальные методы, основанные на обработке данных, собранных непосредственно на объекте исследования, эффективны в случаях, когда закономерности изучаемого объекта недостаточно известны и информация о них недостоверна. Экспериментальные методы подразделяются на активные и пассивные.
Полученное при пассивном эксперименте уравнение регрессии справедливо только в том узком диапазоне изменений входных параметров, какой существовал во время проведения эксперимента. Активный эксперимент, при котором объекту наносятся искусственные возмущения и изучаются реакции на эти воздействия, является, на наш взгляд более приемлемым. Возмущения вводятся в объект в соответствии с некоторым оптимальным планом, позволяющим быстро обнаруживать нужные эффекты, а также строить модели, адекватные результатам эксперимента. Полученные результаты экспериментальных исследований позволят получить уравнения регрессии, которые будут отражать лишь количественные соотношения
между входными и выходными величинами, а не физические явления, как уже было сказано выше, происходящие в изучаемом процессе. Эти уравнения справедливы только для того диапазона изменений входных величин, который имеет место при постановке опыта, и распространять результаты эксперимента на более широкий диапазон недопустимо, так как при этом модель может существенно отличаться от реального процесса.
По сравнению с традиционным методом математические планы эксперимента значительно сокращают необходимое число опытов и более равномерно исследуют факторное пространство. Но они могут быть использованы только при условии нормального закона распределения исходных параметров. В данном случае это условие можно принять без дополнительной проверки по той причине, что качественные показатели ДВП определяются действием очень большого числа факторов, причем из анализа литературных данных следует, что ни один из них не является доминирующим. А при этом, согласно центральной предельной теореме вероятности при любых законах распределения входных факторов, выходные параметры будут распределены по нормальному закону [109, 110].
В производстве ДВП имеет место одновременное протекание химических, теплофизических, механических и других процессов, воздействующих на очень сложную по составу и свойствам среду -древесину, смешанную с химикатами. Это делает бесперспективными попытки классическими аналитическими методами вывести количественные закономерности процессов, необходимые для оптимизации технологического режима и алгоритмизации процессов управления производством. Во всяком случае, проводимые исследования механизма основных процессов производства плит не дали никаких видимых результатов в данном ракурсе [111].
Для построения математических моделей, описывающих интересующие нас процессы, а именно процесс получения древесного волокна из технологической щепы при производстве ДВП с пониженной
пожарной опасностью нами был выбран активный многофакторный эксперимент.
Планирование однофакторного эксперимента. Для решения задачи определения наиболее эффективных параметров работы оборудования для получения древесноволокнистой массы в производстве древесноволокнистых плит возможно провести однофакторный эксперимент для получения математических моделей вида y=f (Х^.
Метод обработки результатов эксперимента с целью описания объекта - метод наименьших квадратов. Эксперимент состоит из N опытов, равностоящих друг от друга на шаг Ь.
Уравнение в общем виде для однофакторного эксперимента выглядит следующим образом:
У=Во+В1Х1 +ВпХ,2. (2.1)
Для вычисления трех неизвестных коэффициентов данного уравнения Во, В1 и Вп необходимо решить систему из трех линейных уравнений с тремя неизвестными:
7 = 1 J = ] 7
N N N N \ (2.2)