Физико-химические основы образования древесных плит

А. А. Леонович





ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ

Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 674.06
ББК37.13
     Л47

Рецензенты:
заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В. И. Корнеев;
заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор О. Н. Русак




            Леонович А. А.


Л47 Физико-химические основы образования древесных плит :       учебное пособие / А. А. Леонович.  - Москва  ;
      Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 264 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1282-7

          Описаны явления, происходящие в условиях прессования при контакте древесных частиц и волокон с адгезивом и между собой: смачивание, адгезия, когезия, релаксация. Рассматриваются вязкоупругие свойства компонентов древесины и раскрывается их роль в межволоконном взаимодействии. Анализируются процессы тепло- и массопереноса при горячем прессовании плит. Содержится описание эффективных методов совершенствования технологии и улучшения свойств древесноплитных материалов, огне- и биозащиты, водостойкости, снижения плотности и др.
          Для студентов лесотехнических вузов, а также инженернотехнических и научных работников предприятий деревообрабатывающей и химической промышленности.

                                               УДК 674.06
                                               ББК37.13



ISBN 978-5-9729-1282-7   © Леонович А. А., 2022
                        © СПбГЛТУ им. С. М. Кирова, 2022
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ ИСИМВОЛОВ.............................................6
ПРЕДИСЛОВИЕ...........................................7
ВВЕДЕНИЕ..............................................8
1. ЭКОЛОГИЯ И ДРЕВЕСНОПЛИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ..............10
1.1. Задачи совершенствования древесноплитного производства.... 10
1.2. Общие стадии изготовления и виды древесных плит.12
1.3. Производство древесных плит в мире и состояние отечественной промышленности...........15
1.4. Свойства древесных плит.........................18
     Капиллярно-пористая структура...................18
     Требования к стружечным плитам..................21
     Требования евростандартов к волокнистым плитам..22
2. ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ............................27
2.1. Когезия.........................................28
2.2. Характеристики прочности........................32
2.3. Механизм разрушения полимеров...................33
2.4. Кинетическая концепция прочности................39
2.5. Уровни изучения прочности.......................42
3. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ............50
3.1. Смачивание......................................50
3.2. Адгезия.........................................54
     Теории адгезии полимеров........................56
     Прочность адгезионных соединений................59
3.3. Полная схема клеевого соединения. Основные параметры адгезивов.......................64
4. ВЯЗКОУПРУГИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСНЫХ ВОЛОКОН....................................72
4.1. Физические состояния полимеров..................72
4.2. Релаксационные явления..........................76
4.3. Температурные переходы компонентов древесины....79
4.4. ТМ-Анализ в изучении механизма плитообразования.82

3

5. ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫЕ ПЛИТЫ.........................89
5.1. Моделирование структуры ДСП....................90
5.2. Древесное сырье и связующие....................95
     Древесина......................................95
     Связующие......................................99
5.3. Распределение связующего надревесных частицах.....106
     Распределение связующего по профилю шероховатости.107
     Распределение связующего по поверхности древесных частиц..............................109
5.4. Сущность процесса горячего прессования ДСП....113
     Адгезия.......................................115
     Отверждение связующего........................116
     Сушка.........................................119
     Релаксация....................................119
5.5. Образование сетчатого полимера................121
5.6. Процессы тепло- и массопереноса при горячем прессовании ДСП........................128
6. ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫЕ ПЛИТЫ.......................135
6.1. Размол древесного сырья.......................137
     Методы получения древесноволокнистой массы........137
     Экспериментальные факты.......................138
6.2. Теоретические представления о размоле.........141
6.3. Прессование ДВП...............................149
6.4. Химические превращения компонентов древесины......152
6.5. Экстрактивные вещества в образовании ДВП......159
6.6. Межволоконное взаимодействие..................163
7. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ
  ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ..........................167
7.1. Снижение токсичности ДСП......................168
     Выделение формальдегида из ДСП................169
     Снижение содержания формальдегида в ДСП.......172
     Снижение токсичности с использованием диоксидакремния...............................174
     Приоритетные требования к акцепторам..........179
7.2. Водостойкость древесных плит..................180
     Поглощение воды древесными плитами............182
     Придание водостойкости........................186
     Гидрофобизация ДСП парафиновой эмульсией..........191
7.3. Огнезащита ДСП................................197

4

     Принципы снижения горючести древесины.......199
     Требования к антипирену.....................201
     Технология огнезащиты ДСП...................204
     ОДСП на карбамидном связующем...............205
     ОДСП на фенольном связующем.................208

8. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ
  ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ.......................211
8.1. Снижение пожарной опасности.................211
     Химическая теория огнезащиты................212
     Функции Р- и N-содержащих антипиренов в образовании ОДВП..........................214
     Технологические особенности.................220
     Свойства огнезащищенных ДВП.................221
8.2. Биозащита древесных плит....................223
     Биологические агенты разрушения древесины...226
     Условия развития дереворазрушающих грибов...229
     Условия службы древесных плит...............233
     Проектирование химической защиты древесных плит от биоповреждений...........................237
     Антисептики.................................239
     Меры биозащиты.................................
     Консервирование древесных плит..............241
     Защита древесноплитных материалов от древоточцев.249
8.3. Снижение плотности..........................250
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................255
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................257
ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................260
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ.............................262

5

                ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И СИМВОЛОВ





а. с. - абсолютно сухой
ДВП - древесноволокнистая плита
ДСП - древесностружечная плита
ДТА - дифференциальный термический анализ
КФС - карбамидоформальдегидная смола
НПБ - нормы пожарной безопасности
СНиП - строительные нормы и правила
ТГ - термогравиметрия
ТГП - термогравиметрия по производной
ТМА - термомеханический анализ
ФФС - фенолоформальдегидная смола а - ударная вязкость
Dₘ - коэффициент дымообразования
Еупр - модуль упругости
ДН - теплота сгорания
Нсь5о - показатель токсичности
J - индекс распространения пламени
Дт - потеря массы при огневом испытании
MDF - древесноволокнистая плита средней плотности
OSB - древесностружечная плита ориентированной структуры
Д8 - разбухание (набухание) по толщине
W.ᵤ - работа адгезии (смачивание)
tgp - продолжительность активного биологического разрушения Сг - продолжительность самостоятельного горения е - деформация
Ер - предельная деформация при ударе
0 - краевой угол смачивания
р - плотность
ст - прочность
стизг - прочность при изгибе
Стр - ударная прочность
Стсд - прочность при сдвиге
ст± - прочность при растяжении перпендикулярно пластин

6

                ПРЕДИСЛОВИЕ





    Учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Физико-химические основы образования древесных плит» и предназначается студентам, обучающимся по направлениям химической технологии (05.21.03, 18.03.01, 18.03.02, 35.03.02) и технологии деревообработки. Курс как самостоятельная дисциплина был организован и стал читаться автором в 1995 году. В разные годы программа варьировалась в отношении как общего объема, так и почасового распределения лекций и лабораторных работ.
    Настоящее пособие предполагается использовать в рамках бакалавриата и при дальнейшей магистерской подготовке при избирательном выполнении или выпускных квалификационных работ. Кроме того, как показывает преподавательский опыт автора, многие вопросы из курса включаются в индивидуальные программы повышения квалификации работников отрасли. В силу этого материал пособия включает и близкие к актуальным задачам промышленности аспекты. В первую очередь это относится к научным основам повышения качества древесноплитной продукции, в частности к модифицированию, повышению экологической безопасности, снижению горючести, приданию биостойкости и других параметров плит.
    Основное содержание пособия составляют лекции, которые многие годы автор читал студентам специалитета, а также монография с таким же названием, выпущенная в 2003 году. В пособие включены отдельные научные результаты диссертаций, выполненных под руководством автора. Этим обусловлена расширенность библиографического аппарата.
    Автор надеется, что книга окажется полезной как тем, кто приступает к освоению профессии, так и работающим в этой области, но обладающим разрозненными теоретическими знаниями, как введение в более глубокое изучение явлений и процессов образования конкретных видов древесных плит для совершенствования технологии, обоснования параметров изготовления и придания плитам заданных свойств.

7

                ВВЕДЕНИЕ





    Численность населения планеты составила 8 миллиардов, тогда как до 1800 г. на Земле проживало менее одного миллиарда человек. Резко выросли и потребности общества в продукции, энергии, информации, услугах, а концентрация загрязняющих веществ в окружающей среде начинает превышать допустимые нормы. Нарушение экологического равновесия все чаще выходит за рамки регионального масштаба.
    Нынешнее состояние общепланетарной цивилизации и биосферы оценивается учеными как глобальный экологический кризис. Он характеризуется переходом возобновляемых ресурсов в невозобновляемые и нарушением биогеохимических круговоротов, которые уже не могут поддерживать самовозобновляемые состояния лесов и почв, возобновление запасов чистой воды, постоянство газового состава атмосферы, разнообразие биоты. Это дополняется эндоэкологическим отравлением высших организмов тяжелыми металлами, радионуклидами и химическими токсинами, которые нарушают их генетический аппарат.
    Приводятся расчеты, согласно которым биосфера сама справится с антропогенными загрязнениями только при том условии, если площадь под лесами и болотами будет увеличена в два раза, но для удвоения потребуется десятикратная депопуляция. Стратегия выживания человечества требует преобразования самого человека и принципиально нового технико-технологического перевооружения. Сюда в том числе относятся переход на малоотходные ресурсосберегающие технологии и максимально возможное сохранение лесов.
    Безотходность недостижима как противоречащая второму началу термодинамики. Потери (отходы) материальные, энергетические, информационные всегда сопутствуют производству. Сегодня ясно, что малоотходность технологий не может ограничиваться лишь совершенствованием способов очистки газовых выбросов и сточных вод, базирующихся на принципе «на конце трубы». Степень очистки пропорцио

8

нальна приложенной энергии, источником которой служат электростанции, сами отрицательно воздействующие на природу. Распространенные на деревоперерабатывающих заводах системы биоскрубберной очистки вентиляционных выбросов связаны с наличием сточных вод и высоким электропотреблением. Производство бумаги, картона, древесноволокнистых плит по традиционному мокрому способу с неизбежностью требует установки мощных очистных сооружений. Даже производство синтетических смол включает утилизацию надсмольной воды.
    В соответствии с задачами создания экологически чистых технологий требуется эффективное воздействие на процессы сокращения количества отходов в источнике их образования. Если нельзя нейтрализовать техногенную нагрузку до уровня, допустимого по возможностям окружающей среды «утилизировать» ее, необходимо ограничить мощность производства. Последнее приходит в противоречие с механизмом стихийного рынка.

9

                1. ЭКОЛОГИЯ И ДРЕВЕСНОПЛИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ




            1.1. ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДРЕВЕСНОПЛИТНОГО ПРОИЗВОДСТВА


   В производстве древесноплитных материалов, как в капле воды, отражаются затронутые экологические проблемы. В среднем на образование 1 т органического вещества леса поглощается из атмосферы 1,5...1,8 т диоксида углерода и выделяется до 1,4 т кислорода. Функции леса в экологическом плане (жизнеобеспечение, формирование климата, водо- и почвоохранная и др.) дополняются сырьевой функцией. Однако использование лесных ресурсов в нашей стране далеко от совершенства. Велики лесосечные отходы. Значительная часть вывезенной древесины - дровяная. При переработке пиловочника образуется до 40 % отходов в виде опилок, горбылей, станочной стружки и др. Велика доля резервных лесов, освоение которых требует больших капиталовложений для создания соответствующей инфраструктуры: транспортных сетей, энергетики, строительства деревоперерабатывающих предприятий, населенных пунктов и др.
   Вовлечение веток и сучьев в производство древесноволокнистых плит (ДВП) способствует рациональному использованию древесного сырья. Изготовление и использование плит ориентированной структуры из крупноразмерной стружки (OSB - Oriented Strand Board) в строительстве вместо фанеры, на которую идет специальный фанерный кряж для получения качественного шпона, и производство древесностружечных плит (ДСП) из отходов механической переработки древесины позволяет в какой-то степени ограничивать объемы заготовляемой древесины. Подчеркивая важность сохранения лесов как источника кислорода, отметим, что че-


10

ловеку требуется порядка 1 кг кислорода в сутки. С учетом расхода в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, коммунальном хозяйстве цифра возрастает до15 кг.
    Казалось, что производство древесных плит будет базироваться на вторичных ресурсах. Однако это не так. Структура лесопромышленного производства нуждается в совершенствовании в направлении развития углубленной химической и химико-механической переработки всей заготовленной биомассы дерева.
    Задачам ресурсосбережения служат разработки, направленные на снижение плотности древесноплитных материалов. В первую очередь следует назвать древесноволокнистые плиты средней плотности (ДВП СП, или MDF - Medium Density Fiberboard). Получают развитие технологии изготовления ДСП средней плотности. Эффективность данного направления зависит от качества связующих веществ. Если в США и Японии в производстве плит на треть используют связующие на основе изоцианатов, то у нас - только КФС и немного ФФС. В производство древесных плит вовлекаются малоценные породы древесины (например, осина), однолетние растения, отходы деревоперерабатывающих производств, а также завершившие срок службы древесные материалы (тара, шпалы и др.) - так называемый рециклинг. Плитное производство в отношении сырья должно стать «всеядным».
    Производство ДВП по технологии мокрого способа не получает дальнейшего развития из-за проблем водопользования и длительного производственного цикла, включающего помимо горячего прессования 3-4-часовую термообработку при температуре 160...170 °С. В производстве тары и мебели их все шире заменяют тонким MDF.
    Энергосберегающие технологические решения направлены на сокращение цикла прессования древесных плит. Это достигается использованием связующих быстрого отверждения, интенсификацией тепло- и массопереноса в прессуемом ковре. Наиболее современными для производства ДСП 11

и MDF считаются технологические процессы на основе линий с прессовыми установками непрерывного проходного типа мощностью от 200 до 500 тыс. м³ в год и периодического на однопролетных крупноформатных прессовых установках. Повышение этажности прессового оборудования, к которому стремились в 70-80-х годах, становится неактуальным, несмотря на использование механизмов для одновременного смыкания греющих плит пресса. Причина заключается в пониженном качестве древесных плит.
   Сокращение энергии на производственные процессы изготовления древесноплитных материалов приводит к уменьшению загрязнения окружающей среды. Примерно 30 % соединений серы в воздухе генерируется тепловыми электростанциями. Доля энергетических затрат на изготовление плит в общей себестоимости продукции постоянно возрастает.
   Важное значение приобретает качество древесных плит в связи с безопасностью жизнедеятельности. Требуется минимизировать эмиссию вредных веществ из плит в процессе изготовления, но особенно - в процессе использования их в изделиях. Предельно допустимые концентрации веществ нормируются в зависимости от назначения продукции. В случае использования карбамидоформальдегидных смол ведущим токсичным соединением является формальдегид. В рецептуру связующего или в массу осмоленных древесных частиц для его связывания вводят акцепторы или добавки комплексного действия.


            1.2. ОБЩИЕ СТАДИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ВИДЫ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТ


   Изготовление ДСП и ДВП связано с переработкой древесного сырья. Измельчить низкосортное сырье, чтобы получить из него высококачественный материал, - девиз работников плитной отрасли. Общее представление об основных стадиях изготовления древесных плит можно почерпнуть из учебного пособия [13]. Основными стадиями являются изго

12

товление стружки (или волокна), формирование ковра и горячее прессование. С использованием дисковых или барабанных рубительных машин сырье (дрова, кусковые отходы лесопиления, карандаши, шпон-рванина фанерного производства, обрезки деревообрабатывающих цехов, лесосечные отходы) перерабатывают в технологическую щепу. Резаную стружку или древесное волокно изготовляют с минимальными потерями и в виде, наиболее пригодном для последующего образования материала однородной или многослойной структуры. Для этого стружку или древесное волокно (в сухом способе производства) сушат, сортируют и обрабатывают связующим, добиваясь его равномерного распределения на относительно большой поверхности субстрата.
    Транспортирующим и формирующим агентом является воздух. Сформированный ковёр подаётся в пресс. Горячее прессование является основным процессом изготовления материалов, в котором под воздействием тепловой энергии и силового поля (температуры и давления) происходят направленные превращения синтетических связующих и компонентов древесины. В мокром способе древесноволокнистую массу разбавляют до определенной концентрации. Транспортирующим и формирующим агентом является вода.
    Изготовление древесных плит завершается их послепрес-совой обработкой. ДВП по технологии мокрого способа производства подвергают термообработке для завершения процессов образования плиты. ДСП и MDF кондиционируют, проводят форматную обрезку и шлифование. В технологический процесс включают раскрой плит на заготовки.
    Физико-химические основы многих технологических операций базируются на химии древесины и синтетических полимеров, физической и коллоидной химии, теории прочности. Существует много различных технологических схем, рецептур и режимов изготовления древесных плит. При этом следует иметь в виду и особенности современных технологических процессов, которые являются следствием учета тех

13