Древесностружечные материалы ДВП и ДСтП

Повышенный интерес к древесным композиционным материалам (композитам) обусловлен рядом причин: низкой стоимостью древесного сырья, малыми затратами труда и энергии при производстве древесных композиционных материалов и изделий из них, ценными, а в отдельных случаях и уникальными, свойствами этих композитов, непрерывной возобновляемостью древесных ресурсов и др.
По данным Отдела леса и лесных продуктов продовольственной сельскохозяйственной комиссии Организации Объединенных Наций (ФАО ООН), производство в мире только трех древесных композиционных материалов в объемных единицах превосходит производство сталей, пластмасс и алюминия. Композиционные материалы состоят из двух или более компонентов (фаз), между которыми имеется граница раздела. Понятие композиционного материала в широком смысле, безусловно, включает и природные материалы, например древесину. Таким образом, древесными композиционными материалами должны быть названы материалы, состоящие из древесины или ее частиц и одного или нескольких других компонентов (металла, полимера, минерала), между которыми имеется граница раздела. В древесном композите граница раздела между компонентами может проходить по наружной поверхности и по внутренней поверхности, т.е. по поверхности сосудов, волокон и пор древесины. Увеличение производства древесных композитов в значительной мере определяется тем, что объем потребления материалов на планете каждые 11 лет удваивается, а запасы сырья для производства традиционных материалов ограничены и не восстанавливаются. Ученые-материаловеды единодушны в оценке – время дешевого сырья прошло! В этих условия особенно пристальное внимание обращено на древесные материалы. Ежегодный прирост твердой биомассы лесов мира 50 млрд. т, прирост промышленной древесины составляет 3,5–4 млрд. т в год, а добывается в мире лишь 1,1–1,3 млрд. т в год. Из всего лесного массива используется около 7,5% древесины, причем в так называемых «отходах» оказывается не менее 30% промышленной древесины. Следовательно, сейчас в мире образуется 330–1200 млн. т (ориентировочно 660–2400 млн. плотных кубометров) «отходов» древесины, из которых можно изготавливать композиционные материалы в количествах, равных выпуску стали, алюминия и пластмасс, вместе взятых по массе. Эта сырьевая база не иссякнет и в дальнейшем, так как лес непрерывно возобновляется и жизнь на планете возможна лишь при наличии леса, дающего кислород и защищающего людей экологически. Возобновляемость и высокая экономическая эффективность – основные факторы, гарантирующие древесным композитам положение материалов будущего. Их дополняют невысокая плотность (50–1400 кг/м3), достаточная прочность (до 300 МПа), низкая трудоемкость и энергоемкость изготовления. Древесные пластики (wood plastics, Holzplaste, plastiques du bois) – материалы на основе древесины, подвергнутой термической обработке под давлением (пластификации). Древесные пластики делятся на: 1) древесину прессованную (пластифицированную); 2) древесно-слоистые пластики; 3) древесную пресскрошку; 4)древесные плиты (древесно- волокнистые и древесно-стружечные).
Древесноволокнистыми плитами называются листовые материалы, сформированные из переплетных древесных волокон. Изготавливают их из древесных отходов или из низкокачественной древесины. В отдельных случаях в зависимости от условий снабжения предприятия сырьем применяют одновременно как древесные отходы, так и дровяную древесину в круглом виде. Наиболее распространенные способы изготовления плит – мокрый и сухой. Промежуточными между ними, причем менее распространенными, будут мокро-сухой и полусухой способы. Мокрый способ основан на формировании ковра из высушенной древесноволокнистой массы в водной среде и горячем прессовании нарезанных из ковра отдельных полотен, находящихся во влажном состоянии (при относительной влажности 60–70%).
Сухой способ основан на формировании ковра из высушенной древесноволокнистой массы в воздушной среде и горячем прессовании полотен, имеющих влажность
5–8%.
Полусухой способ основан на формировании ковра из высушенной древесноволокнистой массы в воздушной среде и горячем прессовании полотен, имеющих влажность 16–18 %.
Мокро-сухой способ основан на формировании ковра из древесноволокнистой массы в водной среде, сушке полотен и горячем прессовании сухих полотен, имеющих влажность, близкую к нулю.
В процессе изготовления плит любым из названных способов древесину сначала измельчают в щепу, а затем щепу превращают в волокна, из которых формируют ковер. Ковер разрезают на полотна. Сухие полотна прессуют в твердые плиты. Влажные полотна или прессуют, получаю твердые или полутвердые плиты, или сушат, получая мягкие (изоляционные) плиты.
Применяют 3 способа получения волокнистой массы: термо-механический – с использованием дефибраторов и рафинеров, механический – с размолом на дефибрерах, и химико-механический, при котором размолу предшествует варка сырья в щелочных растворах. В волокнистую массу для придания водостойкости вводят различные эмульсии (парафиновые, смоляные, масляные) и осадители (сернокислый алюминий). Плиты формируются на отливочных машинах. Влажность плит после отливок достигают 70%. По этому изоляционные плиты поступают на сушку, а твердые и полутвердые прессуют в горячих многоэтажных прессах (t 135 –180 ℃). Твердые и сверх твердые плиты затем проходят закалку при t 150 – 170 ℃ с последующим увлажнением до 5 – 7% (по массе). Сверхтвердые имеют объемную массу не менее 950 кг/м3; твердые – не менее 850 кг/м3; полутвердые – не менее 400 кг/м3; изоляционно-отделочные – 250 –350 кг/м3; изоляционные – до 250 кг/м3. Размеры плит (в мм): длинна от 1200 – 3600, ширина 1000 – 1800, толщина 3 – 8.
Важнейший показатель качества древесноволокнистых плит – предел прочности при изгибе. Временное сопротивление статическому изгибу должно быть не менее (в кгс/см2): для сверхтвердых плит – 500; для твердых плит – 400; для полутвердых – 150; для изоляционно-отделочных – 20; для изоляционных плит – 12.
Существенный показатель качества сверхтвердых, твердых и полутвердых плит – гигроскопичность. Стандарт допускает величину набухания плит после суточного нахождения испытываемых образцов в воде: для твердых и полутвердых – не более 20%, а для сверхтвердых не более 12%. Водопоглощение же установлено: для сверх твердых плит – 15%, для твердых – 30%, для полутвердых – 40%. Плиты, изготовленные сухим способом, обладают значительно меньшей гигроскопичностью 10 – 12% так как при их изготовлении применяют фенолформальдегидные смолы.
Показатели теплопроводности имеют решающие значение для изоляционных и изоляционно-отделочных плит, так как их основным назначением является теплоизоляция. Коэффициент теплопроводности, измеряемой ккал/м*ч*град, для изоляционных плит должен быть не более 0.06 и для изоляционо-отделочных плит 0.08. При использовании твердых древесно волокнистых плит в строительных конструкциях особое значения приобретают показатели твердости и стираемости плит.
Связующие и добавки в производстве древесно волокнистых плит. В ДВП применяют следующие полимерные связующие полимерные связующие: фенолоформальдегидные и мочевино-формальдегидные, обладающие термореактивными свойствами и высокой адгезионной способностью к древесине. Термореактивные синтетические смолы твердеют под действием высокой температуру и давления. Для ускорения реакции вводят различные катализаторы. Затвердевшая смола не растворяется, а при повторном нагревании не размягчается. Синтетические смолы получают в результате реакции поликонденсации фенола или мочевины с формальдегидом. Расход смолы составляет обычно до трех процентов от веса плит.
В качестве гидрофобных веществ можно использовать различные воски: парафин, церезин, озокерит. Содержание их в плитах обычно не превышает одного процента веса так как эти вещества ослабляют связь между волокнами тем самым понижая плотность плит. Гидрофобизаторы вводят в волокнистую массу в виде водных эмульсий. Для получения тонко дисперсной эмульсии в качестве эмульгаторов применяют высокомолекулярные кислоты «олеиновую, стеариновую, польметиновую». Для эмульгирования парафина достаточно олеиновой кислоты лишь два-три процента от веса парафина, однако при осаждении парафина на волокна сернокислым алюминием олеат аммиака образует олеат алюминия, обладающий водоотталкивающими свойствами, поэтому олеиновую кислоту применяют в большем колличестве. Необходимое условия для осаждения на волокнах гидрофобных веществ – создания в древесноволокнистой массе кислой среды pH 4.5 – 5.0. Такая среда образуется в результате введения в древесноволокнистую массу раствора сернокислого глинозема или алюмокалиевых квасцов, служащих одновременно коагуляторами, или осадителями. Значительно более эффективным гидрофобизатором (в сравнении с парафином и его эмульсии) является атактический полипропилен (АПП). В отличие от парафина и его эмульсий АПП действует в течение всего срока эксплуатации изделий, успешно применяется для введения в составы ДВП в количестве 0.5-5.0%. При введении АПП одновременно повышается прочность, ударная вязкость и текучесть материала в процессе переработки его в изделия. Антисептики применят для защиты древесных наполнителей от древоразрушающих грибов и насекомых. Против всех биоразрашителей эффективен пентахролфенолят натрия, вводимый в количестве 1-2% массы сухой древесины. Для снижения пожароопасности вводят антипирены. В рецептуру антипиренов входят следующие компоненты: ортофосфорная кислота, мочевина, дициандиамид. Введение этой рецептуры в состав ДВП сухого способа производства приводит к получению трудногорючих материалов. Компоненты рецептуры действую совместно и каждый из них выполняет определенные функции: ортофосфорная кислота подавляет горение, мочевина повышает прочность и снижает разрушающие действие кислоты на древесину при получении и эксплуатации ДВП, дициандиамид участвует в образование огнезащитного комплекса, устойчивого при температуре прессования плит, обеспечивает их прочность и водостойкость. Для ДВП мокрого способа производства используют нефелиновый антипирен. Применение Мягкие древесноволокнистые плиты находят широкое применение в строительстве в качестве материала для термоизоляции стен, потолков и полов. Благодаря малой плотности, большим размерам, легкости обработки мягкие плиты являются хорошей изоляцией элементов щитовых, панельных и каркасных домов. Твердые плиты применят в строительстве в качестве листового обшивочного материала для облицовывания каркасных перегородок стен и потолков. Сверхтвердые плиты применяют для покрытия полов. Изготовление ДВП – один из перспективных способов использования древесных отходов и неделовой древесины. Древесностружечные плиты Древесностружечная плита (ДСтП) – материал, получаемый путем склеивания частиц древесины связующим веществом, нанесенным на их поверхность, при прессовании в результате создания контакта между частицами древесины и воздействия тепла. В этом искусственно созданном материале пористой структуры древесные частицы расположены параллельно плоскости плиты и дезориентированы по направлению волокон. Таким образом, анизотропия свойств плит, определяемая структурой, отсутствует в плоскости и существует перпендикулярно плоскости материала. Объем порового пространства в плите определяется плотностью и содержанием связующего. От этих двух характеристик в основном зависят свойства материала. Содержание связующего колеблется в пределах 7 – 15% (считая на сухие вещества от массы абсолютно сухой древесины) в зависимости от конструкции, вида и назначения плит. Образование ДСтП происходит при воздействии тепла в результате перехода связующего в олигомерной форме в неплавкое и нерастворимое состояние сетчатой структуры и возникновение адгезионных связей между компонентами древесины и связующего. На направление этих процессов большое влияние оказывают условия прессования. ДСтП изготавливаются горячим прессованием древесной стружки. Себестоимость изготовления древесной стружки ниже себестоимости древесного волокна. В качестве связующего применяют мочевино-формальдегидные, феноло-формальдегидные и другие смолы. Древесностружечные плиты классифицируют по способу прессования, конструкции, виду измельченной древесины, применяемому связующему, облицовочному материалу. По способу прессования различают древесностружечные плиты плоского прессования и экструзионные, т. е. полученные выдавливанием. Первые изготовляют с приложением прессующего усилия перпендикулярно плоскости плиты, а вторые параллельно ей. По конструкции плиты плоского прессования выпускаются одно-, трех-, пяти- и многослойными; экструзионные – однослойными сплошными и с внутренними каналами. В однослойных плитах размеры древесных частиц и содержание связующего одинаковы по всей толщине плиты. В трех- и пятислойных плитах один или оба наружных слоя (с каждой стороны) изготовляют из более тонких частиц и с повышенным содержанием связующего по сравнению с внутренними слоями. Такие плиты имеют гладкую поверхность и обладают высокой прочностью. ДСтП выпускают облицованные и необлицованные (одним или двумя слоями лущеного или строганого шпона, бумагой, пропитанной синтетическими смолами, синтетической пленкой). ДСтП изготовляют шлифованные и нешлифованные. По плотности (в зависимости от способа прессования и марки) древесностружечные плиты подразделяют на группы: очень малой плотности (350 – 450 кг/м2), малой (450 – 650), средней (650 – 800), высокой (700 – 800). Основные размеры ДСтП (мм): плоского прессования – длина 2500 – 3500; ширина 1220 – 1750; толщина 10 – 25; экструзионные – длина 2500; ширина 1250; толщина 15 – 52. Физико-механические свойства ДСтП в основном зависят от объемной массы, формы и размеров древесных частиц, количества и качество связующего, конструкции и др. ДСтП характеризуются следующими показателями: влажность 8%; водопоглощение 12 – 88%; коэффициент теплопроводности 0.06 – 0.22 ккал/(м*ч*℃); удельная теплоемкость 1.7 – 1.9 кДж/(кг*К); разбухание (за 24 часа) по толщине 5 – 30%; предел прочности при растяжении перпендикулярно плиты 0.25 – 0.4 Мн/м2 (2.5 – 4 кг/см2).
Связующие и добавки Наиболее распространенными связующими веществами, применяемыми для изготовления ДСтП различного назначения, являются карбамидоформальдегидные олигомеры благодаря ряду преимуществ: способности к быстрому отверждению в присутствии ускорителей, сочетанию сравнительно высокой концентрации с пониженной вязкостью. Они обеспечивают высокую прочность ДСтП, используемых в производстве мебели и частично в строительстве уступая другим смолам главным образом в стойкости к одновременному и длительному воздействию влаги и повышенной температуре (более 60 ℃). Карбамидоформальдегидные смолы примерно в два раз дешевле фенолоформальдегидных. Фенолоформальдегидные олигомеры обеспечивают образование клеевых соединений, способных хорошо сопротивляться переменным воздействиям повышенной влажности и температуры окружающей среды. Однако они требуют применение более высоких температур прессования плит или удлинения продолжительности этого процесса. Кроме того, существенное улучшение показателей водостойкости достигается только при введении более 15% смолы. Применение фенолоформальдегидных смол для ДСтП ограниченно так же неудовлетворительными санитарно-гигиеническими свойствами, связанными с токсичностью фенола. Меламиноформальдегидные олигомеры обладают всеми преимуществами карбамидо- и фенолоформальдегидных и не имеют их недостатков. Меламиноформальдегидные смолы обладают высокой водо- и теплостойкостью. Однако из-за ограниченного объема производства и дороговизны меламина они не нашли широкого применения для изготовления ДСтП.
В состав ДСтП применяют введение 0.5 – 1.0% гидрофобизаторов. К числу гидрофобизаторов относят: парафин, церезин, петролатум, воск и их эмульсии. Эмульгаторами этих веществ являются мыло, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и др. Лучшим эмульгатором признан ПАВ марки ОП-7. Основным недостатком перечисленных гидрофобизаторов является их временное воздействие на уменьшение водопоглощения. Самым эффективным гидрофобизатором, как и для ДВП является атактический полипропилен (АПП). В состав ДСтП его вводят в количестве да 3.0%. Трудновоспламеняемые ДСтП получают путем введения в их состав смеси ортофосфорной кислоты и хлористого цинка в соотношении от 2 : 5 до 5 : 2. Трудносгораемые ДСтП получают введением гранулированной борной кислоты в количестве 5 – 10%. Применение Древесностружечные плиты – один из наиболее перспективных конструктивно-отделочных материалов для мебельной промышленности и строительства по сравнению с пиломатериалами и другими листовыми материалами. По показателям прочности и жесткости они приближаются к древесине хвойных пород. План 1. Введение. Древесные композиционные материалы. 2. Древесные плиты. ДВП. а) технология, и свойства б) связующие и добавки в) применение 3. ДСтП а) технология, и свойства б) связующие и добавки в) применение Список литературы 1. Вигдорович А.И., Сагалаев Г.В., Поздняков А.А. Древесные композиционные материалы машиностроения: справочник. М: Машиностроение, 1991. 2. Ковальчук Л.М. Производство деревянных клеевых конструкции. М: Лесная промышленность, 1987. 3. Поташев О.Е., Лапшин Ю.Г. Механика древесных плит М: Лесная промышленность, 1980. 4. Ребрин С.П., Мерсов Е.Д., Евдокимов Е.Г. Технология древесноволокнистых плит. М: Лесная промышленность, 1982. 5. Эльберт А.А. Химическая технология древесностружечных плит М: Лесная промышленность, 1984. Калининградский Государственный Технический Университет РЕФЕРАТ Древесностружечные и древесноволокнистые материалы (ДВП и ДСтП) Выполнил: студент гр. 01-ТС Трубин Андрей Проверил: Калининград 2002