ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Угрюмов С.А., Каравайков В.М. (ГОУ ВПО КГТУ, г. Кострома, РФ)

 

The concept of increase of a production efficiency of composite materials by use of a waste of processing of flax is considered. Updating of glues for increase of properties of materials on a basis fires of flax is offered.

 

Композиционные материалы, изготовленные на основе  различных целлюлозосодержащих (главным образом, древесных) наполнителей в смеси с синтетическими или минеральными вяжущими являются не только основными материалами для мебельной промышленности, строительства, авто-, вагоно-, контейнеростроения и других отраслей, но и неотъемлемым звеном в системе комплексной переработки древесины, причем это характерно не только для России, но и для всего мира в целом. Производство композиционных материалов является универсальным и совершенным с точки зрения возможностей использования и переработки сырьевых ресурсов, поскольку имеется возможность переработки широкого спектра сырья различных размеров и сортов. Однако, вопрос разработки методов снижения ресурсоемкости данного производства остается актуальным и является частью огромной многоплановой работы по созданию новых видов материалов, повышению эффективности использования и переработки древесины и использованию новых источников сырья.

В настоящее время перед предприятиями по производству композиционных материалов стоит насущная проблема технического и технологического развития, вытекающая из перспектив роста потребления продукции как на внутреннем, так и внешнем рынках, планируемого вступления России в ВТО, программных мероприятий, намеченных Правительством к реализации в лесопромышленном комплексе. Данная проблема заключается в несоответствии между сложившейся системой организации использования древесных ресурсов и необходимостью повышения эффективности работы деревообрабатывающих производств в соответствии с экономическими интересами государства. Для ее решения предлагается общая концепция развития производства древесных  композиционных  материалов, основные положения которой следующие:

- разработка организационно-технического обеспечения ресурсосберегающих технологий;

- проектирование новых видов и рецептур композиционных материалов;

- разработка рациональных режимов, технологий, технологических инструкций по производству материалов с высокими эксплуатационными характеристиками;

- разработка способов снижения токсичности композиционных материалов;

- проектирование и реконструкция технологий производства новых видов продукции;

- совершенствование методов мониторинга и контроля качества продукции;

- повышение степени безотходности производства.

Стратегическая задача повышения эффективности работы отечественного производства композиционных древесных материалов может быть решена, прежде всего, путем разработки научных и методологических принципов повышения эффективности использования сырья на основе организации ресурсосбережения. При этом значимый эффект будет иметь вовлечение в производство не только всех возможных отходов деревообработки, но и отходов сельскохозяйственного производства и, прежде всего, отходов льнопереработки - костры льна. Костра льна – эффективный целлюлозосодержащий наполнитель композитов с точки зрения анатомических, химических и размерно-качественных характеристик.

Однако клееные материалы, изготовленные на ее основе по технологии производства традиционных клееных древесных материалов,  имеют недостаточные физико-механические характеристики, так как при осмолении костры синтетическим связующим сложно достичь равномерного его распределения по поверхности всех частиц, обладающих большой удельной поверхностью. Неравномерность осмоления костры приводит к нестабильности свойств по толщине и формату композиционных материалов, что негативно отражается на качестве продукции.

Для обоснованной рекомендации технических и технологических мероприятий по производству композитов с использованием костры  нужен научный подход к проблеме склеивания, базирующийся на анализе существующих теорий адгезии, поверхностных явлений и смачивания с привлечением коллоидной химии и реологии полимеров.

Недостаточная совместимость костры и традиционных синтетических олигомеров (карбамидоформальдегидного, фенолформальдегидного и др.) объясняется, прежде всего, значимым различием в величине их поверхностных натяжений. Так по экспериментальным оценкам, поверхностное натяжение костры составляет порядка 45 МДж/м², поверхностное натяжение связующих, в зависимости от их природы и условий синтеза,  колеблется в пределах 55…75 МДж/м². Поэтому связующие составы на поверхности частиц костры не растекаются, а концентрируются в виде отдельных капель.

Для повышения смачиваемости костры традиционные клеевые составы необходимо модифицировать поверхностно-активными веществами, позволяющими равномерно распределяться по поверхности за счет уменьшения  величины поверхностного натяжения.

В качестве примера представлены экспериментальные данные по определению термодинамических и реологических характеристик модифицированных бутановым спиртом (бутанолом) карбамидоформальдегидного олигомера применительно к основным древесным наполнителям (береза, сосна) и костре льна (табл. 1).

 

Таблица 1 – Термодинамические и реологические характеристики модифицированных адгезивов

Адгезив	Поверхно-стное натяжение σ, МДж/м2	Косинус краевого угла смачивания cosӨ	Работа адгезии W, МДж/м2	Модуль эластич-ности Еэ, МПа	Модуль упругости Е1, МПа
Субстрат – костра льна (σ = 45 МДж/м2, Еэ=521,7 МПа, Е1=631,6 МПа)
КФН-66	63,4	0,531	97,1	1000	1200
КФН-66 + 0,5% бутанола	49,6	0,714	85,0	-	-
КФН-66 + 1% бутанола	47,0	0,835	86,2	857,1	1000
КФН-66 + 1,5% бутанола	44,7	0,954	87,3	-	-
КФН-66 + 2% бутанола	42,3	1,0	84,6	750,0	857,1

 

Полученные данные свидетельствуют о снижении поверхностного натяжения модифицированного карбамидоформальдегидного олигомера. Введение бутанола в количестве от 1,5% способствует уравновешиванию значений поверхностного натяжения связующего и наполнителя – костры льна и, соответственно, улучшению смачивания. Реологические характеристики отвержденного модифицированного связующего снижаются, что способствует снижению величины внутренних напряжений, возникающих при структурообразовании композиционного материала.

В табл. 2 представлены экспериментальные данные по определению эксплуатационных свойств костроплит на основе модифицированного карбамидоформальдегидного олигомера КФН-66, которые свидетельствуют о повышении физико-механических характеристик готового материала за счет качественного распределения связующего по поверхности наполнителя.

 

Таблица 2 - Сравнительные свойства костроплит

№	Количество модификатора (бутанола), %	Плотность плиты, кг/м3	Предел прочности при изгибе, МПа	Предел прочности при перпен-дикулярном отрыве, МПа	Разбухание по толщине, %	Водопо-глощение, %
1	0	740	12,15	0,23	37,6	95
2	1	732	18,21	0,57	29	79
3	1,5	738	19,98	0,59	26,1	74,1
4	2	729	21,07	0,57	25,8	72,2

 

При организации производства новых  видов материалов на основе костры льна эффективно утилизируются отходы льнопроизводства, экономятся древесные ресурсы, происходит увеличение занятости населения и развитие инфраструктуры, улучшается экологическая обстановка, что способствует повышению эффективности производства композиционных материалов в целом. Целесообразно использовать костру льна в структуре композитов с использованием модифицированных связующих, обеспечивающих полное и равномерное осмоление.