Уменьшение покоробленности трехслойных древесных плит за счет асимметрии влажности слоев
Плотников С.М. (СибГТУ, г.Красноярск, РФ)
Outcomes of elimination of a warping of three-layer wallboards are introduced at the expense of making the given disbalance of humidity of skins. Magnitudes of necessary disbalance are obtained depending on a denseness of plates, their format and by time of measuring of a sagging deflection.
Одними из распространенных дефектов древесностружечных плит является их покоробленность. Она может образоваться в готовой плите вследствие комплекса неизбежных технологических погрешностей: подсыхания поверхности стружечного ковра при транспортировке, просеивания мелких фракций внутрь ковра, более раннего отвержения связующего нижних слоев при загрузке стружечных пакетов в пресс, асимметрии температур прессующих плит и др.
В научной литературе достаточно подробно исследовано коробление плит, возникающее вследствие воздействия климата и влияния односторонней влажности на плиту. При этом коробление измерялось в течение длительного времени (до нескольких суток и даже месяцев) и не было связано с вышеперечисленными технологическими погрешностями.
Анализ коробления древесностружечных плит, вызванного асимметрией их конструкции, проведен в [1]. При этом покоробленность измерялась в динамике, непосредственно после выгрузки плит из пресса. Измерения показали, что процесс коробления протекает во времени по экспоненциальному закону, который можно аппроксимировать выражением:
, (1)
где ∆f∞ - конечное (установившееся) значение стрелы прогиба плиты на пересечении диагоналей при t = ∞;
t – время между выгрузкой плиты из пресса и моментом измерения ее стрелы прогиба, мин.
Тк – постоянная времени коробления.
Среднее значение постоянной времени коробления Тк
составляет 10,5 мин. (погрешность 
5%), причем данный параметр практически
не зависит от плотности плит и причин, вызвавших коробление. Стрела прогиба
[мм] в центре трехслойной плиты толщиной 16 мм с соотношением слоев 1:3:1 и базой измерения 400 ∙ 400 мм2 через 20 минут после выгрузки ее из
пресса составила:
(2)
при стандартном отклонении sR = 0,023 мм и массой определенности 93%. При этом середина плиты изгибалась в сторону более сухого слоя.
Здесь ρ – плотность плиты, г/см3;
∆U – разность влажности наружных слоев стружечного пакета.
Уравнения регрессии (2) справедливо для реальных значений толщины изготовляемых плит от 10 до 20 мм и реальных значений плотности плит от 0,5 до 0,9 г/см3. Значения стрелы прогиба в зависимости от асимметрии влажности наружных слоев исходного пакета и плотности изготовляемой плиты через 20 минут после выгрузки ее из пресса представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Стрела прогиба в середине плиты 420 ∙ 420 мм2
Преобразовав (2), можно решить обратную задачу, т.е. получить значение разности влажности наружных слоев ∆U, необходимую для компенсации покоробленности определенной величины. Однако в это значение необходимо ввести поправки, связанные с форматом плиты и с моментом измерения стрелы прогиба.
Поправка на момент измерения покоробленности составляет:
, (3)
Коэффициент 0,851 отражает тот факт, что уравнение регрессии (2) справедливо для периода, соответствующего 20 минутам после выгрузки плиты из пресса. При подстановке в (3) t = 20 мин. получим К1 = 1. Чтобы уравнение регрессии (2) имело допустимую массу определенности, время t должно быть не менее 5 мин.
Величина ∆f
подчиняется условию подобия: для
квадратной плиты с длиной сторон L [мм] стрела прогиба отличатся в L/400
от стрелы прогиба плит, для которых получено уравнение (2), т.е. для плит с
длиной сторон 400 мм. Таким образом, поправка
на формат плиты составляет: К2 = 
. Для плиты неквадратной формы
вместо L подставляют
среднее арифметическое между длиной и шириной плиты.
Значение асимметрии влажности наружных слоев стружечного пакета, необходимой для устранения покоробленности плиты со стрелой прогиба ∆f [мм], находится из выражения [2]:
. (4)
При этом более влажным формируют наружный слой, в сторону которого изогнута середина готовой плиты, сохраняя неизменной среднюю влажность наружных слоев формируемого ковра. Например, при изгибе середины измеряемой плиты вверх задают влажность верхнего UВ и влажность нижнего UН наружных слоев соответственно:
, 
,
т.е. дополнительно увлажняют верхний наружный слой и делают менее влажным нижний наружный слой. При изгибе середины измеряемой плиты вниз задают обратное соотношение влажности, сохраняя неизменной среднюю влажность наружных слоев:
.
В результате заданной асимметрии влажности в наружных слоях пакета стружка в них находится на разной стадии разбухания. При прессовании такого пакета (ковра) связующее в слоях отверждается не одновременно, в образующейся плите появляются внутренние механические напряжения. Так как плита не может деформироваться в прессе, то данные напряжения начинают уравновешиваться сразу после раскрытия пресса за счет коробления плиты: середина плиты выгибается в сторону более сухого слоя. При правильном внесении влаги в стружечный ковер конечное значение происходящего коробления по величине будет равно конечному значению покоробленности, вызванной технологическими погрешностями, а по направлению – противоположно ему.
Для подтверждения эффективности данного способа снижения покоробленности в лабораторных условиях было изготовлено две серии плит (по 10 плит в каждой серии).
Серия А: Трехслойная из промышленно изготовленной сосновой стружки толщиной 16 мм, форматом 420·420 мм2, плотностью 0,7 г/см3. Влажность верхнего и нижнего наружных слоев исходных пакетов составляла 10% и 40% соответственно, внутреннего слоя – 10%, массовое соотношение слоев 1:3:1. Плиты прессовались при одинаковой температуре верхней и нижней прессующих плит, равной 160 оС.
Серия Б: Параметры и условия изготовления те же, что и для серии А, но температура верхней и нижней плит пресса устанавливалась соответственно 180 и 140 оС - средняя температура прессования также составляла 160 0С.
После выгрузки плиты из пресса плиты выдерживались в вертикальном состоянии, охлаждаясь до 30 оС, после чего измерялась стрела их прогиба. Для плит серии А средняя по 10 измерениям стрела прогиба составила 3,9 мм (середина выгнута вверх), для плит серии Б – 0,5 мм (середина выгнута вниз). Таким образом, искусственно вызванная покоробленность в плите А за счет разности влажности наружных слоев исходного пакета была снижена за счет заданного температурного дисбаланса прессующих поверхностей. Данный результат можно трактовать иначе: покоробленность плиты, вызванная разностью температур при прессовании, была скомпенсирована дисбалансом послойной влажности исходного стружечного пакета.
Представленный способ устранения покоробленности можно отнести к активному способу, т.к. он предусматривает определенное изменение технологического параметра непосредственно в процессе изготовления плит. Преимуществом такого способа, например, по сравнению с выдержкой плит в штабеле или несимметричным калиброванием наружных слоев плит, является возможность проведения его автоматически, без вычислений задаваемого значения ∆U. При этом сигналы с датчиков стрелы прогиба, размещенных на участке обрезки или кондиционирования плит, подаются на блок управления влажности наружных слоев. Затраты на систему автоматического управления и установку дополнительного смесителя наружного слоя окупаются за счет улучшения качества изготовляемых плит.
Литература
1. Plotnikov S., Niemz P. Untrsuchungen zum Einfluβ ausgewählter technologischer Parameter auf den Plattenverzug von Spanplatten // Holztechnologie.- Leipzig.- 1988.- № 6. - S.311-313.
2. А.с. 1653960 СССР, МПК В 27 N 3/02. Способ изготовления древесностружечных плит / Плотников С.М.; заявитель и патентообладатель Сибир. технолог. ин-т. - Заявка №4697655; заявл. 29.05.1989; опубл. 07.06.1991. Бюл.№ 21.