Технология древесноплитных материалов. Теория и практика производства

А. А. Леонович





ТЕХНОЛОГИЯ ДРЕВЕСНОПЛИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРОИЗВОДСТВА

Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 674.06
ББК 37.13
     Л47


Рецензенты:
засл. деят. науки и техники РФ, д-р техн, наук, проф. В. И. Онегин;
зав. кафедрой ЛТ-9 МФ МГТУ им. Н. Э. Баумана д-р техн. наук, проф. В. Е. Цветков


      Леонович, А. А.
Л47     Технология древесноплитных материалов. Теория и практи-
      ка производства : учебное пособие / А. А. Леонович. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 260 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-1385-5

           Рассмотрены вопросы возникновения и развития технологии древесноплитных материалов, их классификация, свойства и применение. Даны технологические решения производства. Приведена информация об используемом сырье, синтетических связующих и химических добавках, сущности явления и процессов при образовании конкретных видов древесных плит. Содержатся технологические схемы производства плит, расходные нормативы, характеристики основного оборудования. Приведён перечень действующих стандартов.
           Для студентов, обучающихся в средних и высших учебных заведениях по направлению химической и механической технологии древесины. Может быть полезно научным работникам деревообрабатывающей, мебельной и химической промышленности.

УДК 674.06
ББК37.13

Печатается в авторскойредакции

ISBN 978-5-9729-1385-5 © Леонович А. А., 2023
                     © СПбГЛТУ им. С. М. Кирова, 2023
                     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ ИСИМВОЛОВ........................................5
ПРЕДИСЛОВИЕ......................................6
ВВЕДЕНИЕ.........................................9
1. СВОЙСТВА, КЛАССИФИКАЦИЯ И РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОСТВА ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ......................17
1.1. Возникновение и объёмы производства древесных плит.17
1.2. Классификация и свойства древесных плит....24

2. ДРЕВЕСНОЕ СЫРЬЁ И ПОЛУФАБРИКАТЫ..............37
2.1. Древесина. Химический состав...............37
2.2. Свойства древесины.........................41
2.3. Сырьё для производства древесных плит......46

3. СВЯЗУЮЩИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ...............51
4. ЯВЛЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ..................................63
4.1. Моделирование..............................63
4.2. Условия образования адгезионных соединений.73
4.3. Превращения компонентов при изготовлении древесных плит..................................83
4.4. Научные основы процесса размола.............103

5. ТЕХНОЛОГИЯ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ..........110
5.1. Условия образования древесностружечных плит.110
5.2. Технологический процесс производстваДСП.....123
5.3. Изготовление ДСП налиниях непрерывного прессования.137

6. ТЕХНОЛОГИЯ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ ОРИЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ......................154
6.1. Условия бразования OSB......................154
6.2. Технология OSB..............................160

3

7. ТЕХНОЛОГИЯ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ.......174
7.1. Межволоконное взаимодействие............177
7.2. Обеспечение качества ДВП................182
7.3. Технология ДВП по мокрому способу производства.187
7.4. Технология ДВП по сухому способу производства..197

8. ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫЕ ПЛИТЫ СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ............................210
8.1. Особенности получения MDF...............210
8.2. Технология изготовления MDF.............212

9. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.........230
9.1. Модифицирование.........................231
9.2. Энерго- и ресурсосбережение.............241

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............244
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ...................247
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ.........................253

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................257

4

            ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И СИМВОЛОВ


абс. сух. - абсолютно сухой
ВЖК - высшая жирная кислота
ДВП - древесноволокнистая плита
ДСП - древесностружечная плита
ДТА - дифференциальный термический анализ
КФС - карбамидоформальдегидная смола
МКФС - меламинокарбамидоформальдегидная смола
НПБ - нормы пожарной безопасности
Т - температура
Тс - температура стеклования (размягчения)
ТМА - термомеханический анализ
ФФС - фенолоформальдегидная смола
ЭМВ - энергия межмолекулярного взаимодействия
Н-связь - водородная связь
MDF - ДВП средней плотности
N - набухание
OSB - ориентированные из стрэндов древесные плиты
AS - разбухание (набухание) по толщине для ДСП
W - влажность
Wₐ.i. - работа адгезии (смачивание)
£ - деформация
£ост - остаточная деформация
£вэл - высокоэластическая деформация
£упр - упругая деформация
9 - краевой угол смачивания
р - плотность
о - прочность
Оизг - прочность при изгибе
о± - прочность при растяжении перпендикулярно пласти или на отрыв поперек пласти
т - время от начала процесса (продолжительность)

5

            ПРЕДИСЛОВИЕ



    Целые периоды развития человечества определялись видом используемых материалов. Период, когда человек применял для охоты камень, назвали каменным веком. Усовершенствовались способы обработки камня и его применения -настал новый каменный век, или неолит. Затем наступил бронзовый и железный века.
    Разнообразие материалов, используемых человеком, несколько изменило однозначность их исторической роли. Но значение материалов огромно, особенно тех, что даёт лес: строительные материалы, бумага и ещё несколько сот тестированных продуктов.
    Древесные плиты возникли преимущественно по запросу мебельного производства и преобразовали как технологию, так и дизайн мебели. Древесноплитные материалы получили самостоятельное развитие в отношении областей применения и соответственно потребительских параметров и техноло-гий. Создаются научные основы и внедряются в производство новые виды и типы плитной продукции. В технической и учебной литературе подробно освещаются специальные вопросы теории и практики, свойств и применения, способов изготовления и модифицирования плит. Многое из опубликованного не получило непосредственного развития ни в практическом, ни в научном плане. Но, как известно, как количество переходит в качество. Реализуются результаты исследований и разработок, определившие прогресс плитной подотрасли, совершенствование которой опирается на успехи химии и физики древесины и полимеров, на оригинальные инженерные решения, на достижения в машиностроении, на использование современного состояния других смежных отраслей. Общее число публикаций и патентов, касающихся древесных плит, оценивается пятизначной цифрой.
    Главы учебного пособия содержат основные вопросы по технологии древесных плит от сырья до механизма образова

6

ния и моделирования структуры и параметров изготовления. Контурно намечены возможные перспективы совершенствования древесноплитных материалов. Разумеется, в ограниченных рамках пособия представить необходимую информацию возможно только при отказе от подробностей и конкретных технологических рекомендаций, от детального доказательства некоторых адаптированных положений.
    Книга написана по данным отечественной и зарубежной литературы с отражением научных работ, выполненных в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете. Она составлена по такой схеме, что её не обязательно читать всё подряд, если читателя интересует только какой-нибудь конкретный вопрос. Обзоры в значительной степени независимы друг от друга. Например, технологию древесноволокнистых плит можно изучать, пропустив технологию древесностружечных плит.
    Издание по общедоступности рассчитано в том числе на читателя, которому нужно получить общее представление о состоянии предмета (как раньше говорили, с высоты птичьего полёта). Если у него возникнет потребность глубже вникнуть в суть рассматриваемых явлений или закономерностей конкретных процессов с уже достигнутым из пособия уровнем знаний, то в тексте приводятся ссылки на источники с изложением соответствующих вопросов.
    Основное назначение пособия - учебное. Структура и содержание охватывает все базовые вопросы по теме из программы обучения среднего профессионального образования по специальностям 35.02.03 и 35.01.04. Пособие должно способствовать изучению этих вопросов, находить нужные сведения, помогать освоить материал и подготовить для дальнейшего развития в направлении специальности. Вместе с тем пособие не является учебником, поскольку некоторые обзоры содержат избыточную информацию. В этом отношении книга окажется полезной студентам, обучающимся по специальностям 35.03.02 и 35.04.02, а также работникам отрасли,

7

давно завершившим своё образование или только начинающим трудиться в этой интересной сфере.
    Автор скромно надеется, что пособие может заинтересовать некоторых учащихся старших классов средней школы при выборе будущей специальности и подготовке к поступлению в учебные заведения лесотехнического профиля.
    В приложении приводятся «Предметный указатель» для облегчения активной работы с текстом, «Словарь терминов и понятий», полезных при изучении дисциплины и адаптированных к теме пособия, а также «Перечень действующих стандартов», относящихся к технологии и свойствам древесноплитных материалов и гармонизированных с прогрессивными зарубежными нормами.

8

            ВВЕДЕНИЕ



      Древесные плиты являются лесными товарами, получаемыми переработкой ствола и в меньшей степени кроны дерева, а также отходов механической обработки различных лесоматериалов. Для каждого вида древесных плит преимущественно используют своё сырьё. Плиты образуются с помощью связывающих и других химических веществ, но не являются изделием, деталь, конструкцией. Поэтому для обозначения всех видов древесных плит использован общий термин материал как объект, из которого затем получают конкретные изделия. Будь то мебель или элемент деревянного дома, деталь автомобиля или тара и упаковка.
      Стратегия получения древесноплитных материалов заключается в прочном соединении между собой частиц или волокон, сформированных в листо- или плитообразную форму, реже гофрированную или в виде бруса. Для этого их предварительно подготавливают либо механическими, либо термомеханическими методами, используют связующее из синтетических олигомеров с тем, чтобы горячим прессованием получить материал с заданными параметрами. Мягкие (изоляционные) плиты получают только нагреванием.
      Идеи, лежащие в основе крупнотоннажных древесноплитных материалов, доминирующие в последние десятилетия, достаточно просты. Возможность снижения плотности плит сухого способа производства достигается увеличенным расходом связующего, когда затраты на древесное сырьё и синтетические олигомеры соотнесены с требуемым уровнем качества. Так появились плиты средней плотности. Использование отходов шпона и рациональное нанесение связующего привело к возможности получения «американской фанеры» - плит с ориентированной структурой.
    Но если посмотреть на действующее технически совершенное производство обоих этих материалов, то станет очевиден тот огромный путь, который прошла инженерная

9

мысль в создании совершенного оборудования и разработке уникальной технологии прежде, чем эта продукция заняла своё достойное место на рынке. И всё же отметим, что конструкторская доля в прогрессе древесноплитной индустрии является определяющей, тогда как вклад химической составляющей более скромный. Что же касается древесных плит специального назначения, то новые целевые свойства достигаются на базе созданных технологий и структуры производства массового продукта общего назначения путём химического или физико-химического модифицирования древесного комплекса или связующего.
    К древесным плитам специального назначения относятся плиты, которые кроме свойств, присущих плитам общего назначения, обладают некоторыми дополнительными особыми свойствами. Например, плиты обладают свойством неспособности к самостоятельному горению, устойчивостью к действию древоразрушающих грибов в течение десятилетий. В стандарты многих стран включены такие показатели плит, которые отражают поведением материала в условиях воздействия повышенной влажности. Стандартами на атмосферостойкие и влагостойкие стружечные и волокнистые плиты предусмотрены циклические испытания их кипячением в воде и замораживанием.
    Основными видами древесных плит являются:
    • древесностружечные плиты (ДСП), Wood Particle Board, Chipboard;
    • древесные плиты ориентированной структуры из крупноразмерных частиц (OSB), Oriented Strand Boards также ОСП. Плиты являются разновидностью ДСП, получившей самостоятельную технологию и область применения;
    • древесноволокнистые плиты (ДВП), Fiberboard. К ним относятся плиты мокрого способа изготовления и сухого способа изготовления. В последнем случае к аббревиатуре ДВП добавляют индекс «с»;

10

    • древесноволокнистые плиты средней плотности (MDF), Medium Density Fiberboard. Встречаются обозначением ДВП СП, а также МДФ. Плиты являются разновидностью ДВП сухого способа изготовления, получившей самостоятельную технологию и область применения.
    Суммарный объём производства всех видов древесных плит в мире неуклонно возрастает. Особенно интенсивно растёт выпуск OSB и MDF.
    Действующие межгосударственные стандарты (ГОСТ) и национальные стандарты (ГОСТ Р) гармонизированы с европейскими нормами (EN), требования к плитам выборочно приведены в приложении 1.
    Известны также материалы, в состав которых входят древесные волокна в качестве вспомогательных компонентов. Такие материалы далее не рассматриваются. Здесь же кратко упомянем, поскольку их относят к композиционным материалам из измельчённой древесины.
    Массы древесные прессованные (МДП) получают совместной обработкой частиц древесины (крошки, стружки, опилок) и синтетических смол и используют для изготовления методом горячего прессования деталей машин, строительных деталей и товаров народного потребления.
    Композиции древесно-клеевые (КДК) получают из древесной стружки, карбамидного связующего и гидрофобиза-тора и используют для изготовления формованной тары.
    Арболит получают из дроблённых древесных отходов и портландцемента и используют как элементы строительных конструкций.
    Фибролит получают из древесной стружки преимущественно хвойных пород, портландцемента и химических добавок (хлорид кальция, жидкое стекло и др.) путём прессования плотностью 300, 400, 500 кг/м³. Используют как строительный материал.

11

    Ксилолит изготовляют из древесной муки или опилок с магнезиальным вяжущим. Используют в виде плиток для полов и отделки стен.
    Плиты цементно-стружечные изготовляют прессованием древесной стружки, портландцемента и химических добавок плотностью 1100... 1400 кг/м³. Используют как строительный материал.
    Перечисленные материалы, как и древесные плиты, входят в группу композиционных материалов на основе измельчённой древесины. Кроме того лесное товароведение отдельно рассматривает клееную древесину из шпона: фанеру, фанерные плиты, древесные слоистые пластики, столярные плиты. Последние получают сочетанием массивной древесины и шпона.
    Какими же основными особенностями характеризуются древесноплитные материалы, получаемые механико-химической переработкой ствола, корней и кроны дерева?
    Первая черта древесноплитных материалов состоит в особенностях геометрических размеров, когда при ширине (~ 1200.2400 мм) и длине материала, определяемых параметрами оборудования, толщина их примерно на три порядка меньше, в силу чего он определяется как листовой или плитный (для различных видов) то есть масса вещества создаёт высокую площадь изделия, а изготовляется материал с предварительным измельчением резанием древесного сырья или размолом до уровня древесных частиц или древесных волокон соответственно с последующим их соединением за счёт сил межмолекулярного взаимодействия химических реакций при использовании синтетических связующих и активации древесных волокон в процессе горячего прессования (реже -только сушки).
    Эта особенность позволяет изготовлять изделия весьма эффективно, используя древесноплитный материал. В частности, рассмотрим корпусную мебель. Если на изготовление изделия с использованием материала общего назначения на

12