Качество древесно-стружечных плит (ДСП) существенно зависит от степени осмоления древесных частиц. В отличие от фанеры, где между листами шпона сплошной клеевой слой, в ДСП связующее распределяется по поверхности древесных частиц в виде точек и полос, то есть носит дискретный характер. Такое распределение происходит во время распыления связующего и последующего перемазывания стружек в высокооборотных смесителях.

Источник публикации и ссылка для цитирования – Васильев В.В., Веснина Е.Н. Регулирование удельного расхода смолы по поверхности древесных частиц в производстве древесностружечных плит //Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2022. Вып. 241. С. 229–243. DOI: 10.21266/2079-4304.2022.241.229-243

ВВЕДЕНИЕ

Удельный расход сухой смолы по поверхности стружки оценивается как 4…7 г/м² [Отлев и др., 1990]. Эти величины получены относительно давно. В настоящее время производятся плиты с мелкоструктурной поверхностью, где предусмотрено измельчение древесных частиц до более высокой степени дисперсности. Это приводит к увеличению удельной поверхности стружки и, как следствие, при том же расходе связующего к снижению его содержания на поверхности контактирующих частиц. В результате на предприятиях ДСП вынуждены повышать расход смолы. А это самый дорогой компонент плиты. Не случайно социологический опрос специалистов отрасли показал, что вопрос снижения расхода смолы в производстве ДСП является технологической проблемой высокой актуальности [Васильев, 2020].

Одним из методов повышения удельного расхода смолы по поверхности древесных частиц является удаление из сухой стружки мелких фракций 0,5/0 мм и более. Такую технологию и соответствующее ситовое сортировочное оборудование предлагают ведущие зарубежные фирмы. Удаление мелких древесных частиц обеспечивает не только повышение содержания смолы на поверхности более крупных стружек, но и увеличение прочностных показателей плит, так как такие частицы в силу их небольшой длины не могут быть армирующими элементами ДСП.

В то же время мельчайшие частицы при нанесении их на поверхность ковра методом пневматического или механического фракционирования располагаются на поверхности ковра и обеспечивают высокую гладкость поверхности будущей ДСП. Уровень содержания этой фракции зависит от величины припуска на шлифование: чем он больше, тем выше уровень.

Целью настоящего исследования является изучение параметров стружки, поступающей в современные высокооборотные смесители наружных и внутреннего слоёв ДСП, и оценка эффективности удаления мелких древесных частиц на удельный расход смолы по поверхности оставшейся более крупной стружки.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследовали стружку промышленного производства ООО «Невский ламинат» (пгт. Дубровка Ленинградской области). В цехе ДСП производят трёхслойную плиту с мелкоструктурной поверхностью. Отбор мелкой фракции древесных частиц и вывод её из технологического потока не производится. После сушки стружка разделяется на материалы для наружных и внутреннего слоёв ситовыми и пневматическим каскадным сепараторами. Смешивание стружки со связующим осуществляется в высокооборотных смесителях.

Пробы для анализов отбирали перед входом стружки в смесители для наружных и внутреннего слоёв ДСП.

Исследованная стружка имела следующий породный состав: осина – 60%, береза – 20%, сосна – 20%. Абсолютная влажность стружки – 2%.

Рекомендуемые нормы расхода смолы для производства ДСП определяются в зависимости от базисной плотности древесного сырья, из которого изготавливается плита [Отлев и др., 1990]. Базисная плотность отдельных пород древесины составляет для осины 400 кг/м³, берёзы 520 кг/м³, сосны 415 кг/м³ [Уголев, 2007]. Средневзвешенная базисная плотность сырья: ρ_{баз. ср} = 1/100 (60×400+20×520+20×415) = 427 кг/м³.

Нормы расхода сухой смолы от массы сухой стружки для трёхслойных ДСП с мелкоструктурной поверхностью при базисной плотности сырья 400 кг/м³ составляют для наружных слоёв – 14,0%, для внутреннего – 10,6%, а при базисной плотности сырья 440 кг/м³ соответственно 13,5 и 10,0% [Отлев и др., 1990]. Интерполируя данные внутри указанных диапазонов, вычислили, что для сырья с базисной плотностью 427 кг/м³ рекомендуемые нормы расхода смолы составляют для наружных слоёв – 13,7%, для внутреннего – 10,2%.

Определяли фракционный состав стружки и линейные размеры. По результатам определения линейных размеров, принимая форму стружки за параллелепипед, рассчитывали их удельную поверхность для каждой фракции и для смеси стружки в целом. Полученные значения являются несколько заниженными, поскольку реальная поверхность частиц заменена её проекцией.

Для определения фракционного состава стружки навеску древесных частиц массой 50 г помещали в ситовой анализатор, оснащенный набором сит с размерами ячеек сит 10, 7, 5, 3, 2, 1 и 0,5 мм. Продолжительность рассеивания составляла 5 мин. После рассеивания определяли массу каждой фракции на аналитических весах с точностью до 0,01 г. Размеры отдельных фракций древесины обозначали цифрами: -/10; 10/7; 7/5; 5/3; 3/2; 2/1; 1/0,5; 0,5/0; где в числителе – ширина отверстия сита в мм, через которое прошли древесные частицы, а в знаменателе – на котором задержались.

Для определения линейных размеров частиц из каждой фракции стружки методом квартования отбирали пробу с таким расчетом, чтобы в ней оказалось не менее 50 частиц. В пробе производили замеры длины, ширины и толщин всех частиц. Измерение толщины частиц производили микрометром, с точностью измерения 0,01 мм. Измерение длины и ширины производили с помощью микроскопа МБС-2.

Для стружки породного состава: осина – 60%, береза – 20%, сосна – 20% по работе [Отлев и др., 1990] нашли долю коры (Рк), гнили (Рг) и здоровой древесины (Рдр) для данных пород, %, и их плотность (ρ), кг/м³:

для осины – Рк = 16; ρ_к = 426; Рг = 20; ρ_г = 0,65 ρ_др; Рдр = 64; ρ_др = 470;

для березы – Рк = 15; ρ_к = 446; Рг = 0; ρ_г = 0,65 ρ_др; Рдр = 85; ρ_др = 600;

для сосны – Рк = 18; ρ_к = 308; Рг = 10; ρ_г = 0,65 ρ_др; Рдр = 72; ρ_др = 470.

Рассчитали средневзвешенную плотность (ρ_{ср. п}) отдельных пород при влажности 0%1.

Она составила для осины ρ_{ср. ос} – 430 кг/м³, для березы ρ_{ср. бр} – 577 кг/м³, а для сосны ρ_{ср. сос} – 424 кг/м³. Средневзвешенная плотность сырья при влажности 0% равна 458 кг/м³.

Средневзвешенную плотность отдельных пород при влажности 2% рассчитали по [Михайличенко, Садовничий, 1978]. Она составляет для березы ρ_2%(бер) – 581 кг/м³, а для осины ρ_2%(ос) и сосны ρ_2%(сос) – 434 кг/м³ и 428 кг/м³ соответственно. Средневзвешенная плотность сырья влажностью 2% ρ_{ср. др} – 462 кг/м³.

Расчет удельной поверхности древесных частиц и отдельных их граней производили путём последовательного расчёта массы одной частицы и содержания числа частиц в 1 кг стружки.

Плотность древесного сырья влажностью 0% – 458 кг/м³, а влажностью 2% – 462 кг/м³ или на 0,87% больше. Учитывая такую небольшую разницу – удельный расход смолы рассчитали, относя массу смолы к поверхности древесных частиц влажностью 2%, что приближается к реальным условиям.

В табл. 1 приведена характеристика микростружки наружных слоёв ДСП.

Данные показывают, что древесные частицы отвечают по своим размерам требованиям, предъявляемым к микростружке. В соответствии с ними средняя длина, ширина и толщина микростружки не должна превышать соответственно 5,0; 1,5 и 0,25 мм [Отлев и др., 1990], а в нашем случае размеры составляют 1,79; 0,35 и 0,07 мм.

Общая поверхность 1 кг микростружки 120 м². Из них наибольшую площадь около 81% имеют поверхности пластей древесных частиц, доли боковых граней и торцов микростружки соответственно 15 и 4%. При расходе смолы 13,7% расчётный удельный расход сухой смолы по поверхности древесных частиц микростружки Q_{см. микростр} составляет:

Q_{см. микростр} = 1000/100 × 13,7/120 = 1,14 г/м².

Необходимо отметить, что анализируемая авторами

микростружка имеет размеры значительно ниже поло-

вины средних размеров требований. Такие низкие сред-

ние размеры микростружки объясняются присутствием

в ней значительного количества мельчайших древес-

ных частиц фракции 0,5/0 мм – 22,8% от общей массы.

Удельная поверхность частиц этой фракции составляет 266 м²/кг, она занимает 50,6% от общей площади поверхности микростружки.

В табл. 2 представлены результаты расчетов изменения удельного расхода смолы при удалении мелких частиц фракции 0,5/0 в количестве 10% от общей массы микростружки.

Удаление мелких частиц фракции 0,5/0 мм в количестве 10% от массы микростружки позволяет снизить площадь поверхности микростружки со 120 до 104 м² или на 13,3%, а площадь поверхности этой фракции с 50,6 до 36,4% от общей площади микростружки. При расходе смолы 13,7% расчётный удельный расход сухой смолы по поверхности древесных частиц микростружки составит:

Q_{см. микростр} = 1000/100 × 13,7/104 = 1,32 г/м².

Увеличение удельного расхода смолы с 1,14 до 1,32 г/м² или на 15,8%. Таким образом, происходит прирост расхода смолы.

В табл. 3 приведена характеристика стружки внутреннего слоя ДСП.

Древесные частицы отвечают по своим размерам требованиям, предъявляемым к стружке внутреннего слоя. В соответствии с ними средняя длина, ширина и толщина стружки не должна превышать соответственно 30; 10 и 0,80 мм [Отлев и др., 1990], в нашем случае размеры составляют 6,25; 0,88 и 0,27 мм.

Общая поверхность 1 кг стружки внутреннего слоя 42,9 м². Из них наибольшую площадь около 77% имеют поверхности пластей древесных частиц, доли боковых граней и торцов стружки соответственно 20 и 3%. При расходе смолы 10,2% расчётный удельный расход сухой смолы по поверхности древесных частиц стружки Q_{см. стр} составляет:

Q_{см. стр} = 1000/100 × 10,2/42,9 = 2,38 г/м².

Стружка внутреннего слоя имеет размеры значительно ниже половины средних размеров требований. Немалый вклад в это вносит присутствие в ней значительного количества мельчайших древесных частиц фракции 0,5/0 мм – 5,2% от общей массы. Удельная поверхность частиц этой фракции составляет 281 м²/кг, она занимает 34,1% от общей площади поверхности стружки.

В табл. 4 представлены результаты расчетов изменения удельного расхода смолы при удалении мелких частиц фракции 0,5/0 в количестве 5% от общей массы стружки.

Удаление мелких частиц фракции 0,5/0 мм в количестве 5% от массы стружки позволяет снизить площадь поверхности стружки с 42,9 до 30,2 м² или на 29,6%, а площадь поверхности этой фракции с 34,1 до 2,0% от общей площади стружки. При расходе смолы 10,2% расчётный удельный расход сухой смолы по поверхности древесных частиц стружки внутреннего слоя составит:

Q_{см. микростр} = 1000/100 × 10,2/30,2 = 3,38 г/м².

Увеличение удельного расхода смолы с 2,38 до 3,38 г/м² или на 42,0%. Происходит значительный прирост расхода смолы.

Для ДСП с мелкоструктурной поверхностью массовая доля микростружки находится в диапазоне 40–50% от общего потока стружки [Отлев и др., 1990]. При доле массы наружных слоёв 40% удаление 10% от массы микростружки составляет 10×40/100 = 4% от общего потока сухой стружки. Аналогичное удаление 5% мелких частиц из стружки внутреннего слоя составляет: 5×60/100 = 3% от общего потока. Сумма удаляемой доли частиц фракции 0,5/0 мм – 4+3 = 7% от общей массы стружки.

Таким образом, удаление из общего потока сухой стружки части мельчайших частиц фракции 0,5/0 мм приводит к эффективному увеличению удельного расхода смолы по поверхности остальной стружки. При удалении 7% древесных частиц этой фракции расчётный удельный расход смолы увеличивается по поверхности микростружки наружных слоёв ДСП с 1,14 до 1,32 г/м² или на 15,8%, а по поверхности стружки внутреннего слоя с 2,38 до 3,38 г/м² или на 42,0%.

Технолог цеха ДСП может опытным путём установить оптимальное содержание мелких частиц в микростружке, обеспечивающее высокую гладкость поверхности шлифованных плит и максимальные удельные расходы смолы по поверхности микростружки наружных слоёв и стружке внутреннего слоя. Для этого нужно подобрать величину выставки ножей стружечных станков, при которой доля содержания мелкой фракции достигнет заданного уровня. Окончательно стабилизацию этой доли можно провести путём удаления излишков мелочи на ситовой сортировке.

ВЫВОДЫ

1. Проведён анализ промышленной микростружки наружных слоёв и стружки внутреннего слоя древесно-стружечных плит с мелкоструктурной поверхностью. В цехе отбор мелкой фракции древесных частиц и вывод её из технологического потока не производится. Пробы для анализов отбирали перед входом стружки в высокооборотные смесители для наружных и внутреннего слоёв плит. Исследованная стружка имела следующий породный состав: осина – 60%, береза – 20%, сосна – 20%. Абсолютная влажность стружки 2%.

2. Определён фракционный состав древесных частиц и их линейные размеры. По результатам определения линейных размеров, принимая форму стружки за параллелепипед, рассчитали их удельную поверхность для каждой фракции и для смеси стружки в целом. Разработана методика расчёта удельной поверхности с учётом содержания в древесном сырье коры и гнили, а также влажности сухой стружки.

3. Средние размеры микростружки: длина 1,79 мм, ширина 0,35 мм, толщина 0,07 мм. Они отвечают требованиям, предъявляемым к размерам микростружки. Общая поверхность 1 кг микростружки 120 м². Из них наибольшую площадь около 81% имеют поверхности пластей древесных частиц, доли боковых граней и торцов микростружки соответственно 15 и 4%. При средневзвешенной базисной плотности древесного сырья 427 кг/м³ рекомендованный расход сухой смолы составляет 13,7%. При таком расходе расчётный удельный расход сухой смолы по поверхности древесных частиц микростружки 1,14 г/м². В микростружке содержится значительное количество мельчайших древесных частиц фракции 0,5/0 мм – 22,8% от общей массы. Удельная поверхность частиц этой фракции составляет 266 м²/кг, она занимает 50,6% от общей площади поверхности микростружки.

Удаление мелких частиц фракции 0,5/0 мм в количестве 10% от массы микростружки позволяет снизить площадь поверхности микростружки со 120 до 104 м² или на 13,3%, а площадь поверхности этой фракции с 50,6 до 36,4% от общей площади микростружки. При расходе смолы 13,7% расчётный удельный расход сухой смолы по поверхности древесных частиц микростружки составит 1,32 г/м². Увеличение удельного расхода смолы с 1,14 до 1,32 г/м² или на 15,8%.

4. Средние размеры стружки внутреннего слоя: длина 6,25 мм, ширина 0,88 мм, толщина 0,27 мм. Они отвечают предъявляемым требованиям. Общая поверхность 1 кг стружки 42,9 м². Из них наибольшую площадь – около 77%, имеют поверхности пластей древесных частиц, доли боковых граней и торцов стружки – соответственно 20 и 3%. Рекомендованный расход сухой смолы составляет 10,2%. При таком расходе расчётный удельный расход сухой смолы по поверхности древесных частиц стружки 2,38 г/м².

Содержание мельчайших древесных частиц фракции 0,5/0 мм – 5,2% от общей массы стружки. Удельная поверхность частиц этой фракции составляет 281 м²/кг, она занимает 34,1% от общей площади поверхности стружки внутреннего слоя.

Удаление мелких частиц фракции 0,5/0 мм в количестве 5% от массы стружки позволяет снизить площадь её поверхности с 42,9 до 30,2 м² или на 29,6%, а площадь поверхности этой фракции с 34,1 до 2,0% от общей площади стружки. При расходе смолы 10,2% расчётный удельный расход сухой смолы по поверхности древесных частиц стружки внутреннего слоя составит 3,38 г/м². Увеличение удельного расхода смолы с 2,38 до 3,38 г/м² или на 42,0%.

5. При доле массы наружных слоёв 40% удаление 10% от массы микростружки составляет 4% от общего потока сухой стружки. Аналогичное удаление 5% мелких частиц из стружки внутреннего слоя составляет 3% от общего потока. Сумма удаляемой доли частиц фракции 0,5/0 мм 7% от общей массы стружки.

Таким образом, удаление из общего потока сухой стружки части мельчайших частиц фракции 0,5/0 мм приводит к эффективному увеличению удельного расхода смолы по поверхности остальной стружки. При удалении 7% древесных частиц этой фракции расчётный удельный расход смолы увеличивается по поверхности микростружки наружных слоёв ДСП с 1,14 до 1,32 г/м² или на 15,8%, а по поверхности стружки внутреннего слоя с 2,38 до 3,38 г/м² или на 42,0%. Технолог цеха может опытным путём установить оптимальное содержание мелких частиц в микростружке, обеспечивающее высокую гладкость поверхности шлифованных плит и максимальные удельные расходы смолы по поверхности микростружки наружных слоёв и стружке внутреннего слоя.

Виктор Васильев

Елена Веснина

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова

Библиографический список