УДК 674.8

ФОРМОУСТОЙЧИВОСТЬ СТОЛЯРНЫХ ПЛИТ (СП) ИЗ ВТОРИЧНО ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДРЕВЕСИНЫ (ВИД)

 

A FORM OF STABILITY OF BLOCKBOARDS (BB) MADE OF POST-CONSUMER WOOD (PCW)

 

Гайда С.В. (Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина)

Gayda S.V. (Ukrainian National Forestry University)

 

Разработаны конструкции и технологии СП из ВИД с поочередным заключением реек из массивной древесины и реек из ДСП. Получены закономерности влияния ширины реек на формоустойчивость СП из ВИД. Разработаны практические рекомендации к конструкциям, технологии изготовления и применения СП из ВИД.

Various designs and production technology have been developed for fabricating blockboards from PCW by placing edge to edge strips from solid wood or/and from woodpartileboard. The relationship has been established between strip width and shape stability of PCW-made blockboards. Practical recommendations have been provided for the technology of manufacture and application of PCW-made blockboards.

 

Ключевые слова: вторично используемая древесина, переработка, столярная плита, формоустойчивость, древесностружечная плита.

Keywords: post-consumer wood, recycling, blockboard, shape stability, woodparticleboard.

 

Состояние вопроса. Большое внимание учеными уделялось физико-механическим свойствам и формоустойчивости только клееных щитов, а не столярных плит. В своих трудах [1-4] Гайда С.В. подробно исследовал и описал физико-механические свойства СП из ВИД. В специализированной научно-технической литературе вопрос выбора ширины реек, из которых склеивают столярные щиты, является дискуссионным. Согласно [5] для СП типа СР из склеенных реек ширина брусков с первичной древесины должна быть не более 40 мм. По Европейскому стандарту [7] ширина реек должна быть меньше 30 мм. Ряд ученых придерживаются мнения, что максимально допустимая ширина брусков из массивной древесины для изготовления столярных щитов, не должна превышать тройной толщины. Исходя из анализа литературных источников сделан вывод о том, что формоустойчивостью СП из ВИД подробно никто не занимался, а технологических процесс изготовления комбинированных плит из реек различной ширины, разного происхождения и материала является не до конца изученным и проанализированным, поскольку ученые не предлагали изготовления СП из ВИД. Из сказанного следует, что исследования, направленные на повышение формоустойчивости СП на основе комбинированного укладки реек с ВИД, вызывают большой практический интерес.

Проблема, актуальность и цель исследований. Ежегодный потенциал ВИД в Украине составляет 2-2,3 млн. тонн [1]. Проблема исследований - отсутствие ресурсосберегающих и экологобезопасных технологий с практическими рекомендациями по использованию ВИД в деревообработке. Как показывает мировая практика, ВИД в измельченном виде уже частично используется для изготовления ДСП, перемешиваясь с первичной древесиной в определенных соотношениях. Как вариант цельного использования очищенной ВИД является столярная плита (СП), которая рассматривается как экологически чистый, прочный и легкий конструкционный материал. Поэтому исследование физико-механических свойств, в том числе формоустойчивости комбинированных СП из ВИД, является актуальным вопросом, особенно в отношении влияния вида и ширины заготовок на качество продукции в условиях его эксплуатации.

Основная гипотеза исследования - обеспечение отраслей деревообработки альтернативным дополнительным ресурсом путем утилизации и переработки ВИД на столярную плиту с заданными свойствами.

Цель исследования - улучшение формоустойчивости СП из ВИД за счет оптимальной ширины и комбинированного заключения с использованием реек из массивной древесины и из ДСП.

Объект исследования - столярная плита из ВИД. Предмет исследования - формоустойчивость комбинированной СП из ВИД.

Материалы и методы. Основными материалами для получения СП были ВИД и клей поливинилацетатный фирмы Jowat марки «Jowacol 102.20». В данных исследованиях использовалась ВИД I и II категорий, в частности:  бруски; ДСП, 16 мм; ДВП, 4 мм; фанера, 4 мм из старых изделий.

Характеристика массивной ВИД [2, 4]:

- Остаточная влажность - 6,0 ± 2,0%;

- Твердость по Бринеллю: хвойных пород - 2,0 ± 0,5; для лиственных 3,5 ± 0,5 Н/мм2;

- Прочность при статическом изгибе - 100,0 ± 20,0 МПа;

- Прочность при скалывании - 1,3 ± 0,2 МПа;

- Стабилизированное напряженно-деформационный состояние;

- Минимальное влияние анизотропии на изменение формы поперечного сечения.

Конструкции СП из ВИД. Для детального исследования влияния физико-механических характеристик ВИД на формоустойчивость СП были разработаны различные конструкции СП. В конструкциях СП из ВИД предусмотрено использование реек хвойных пород древесины и реек из плиты ДСП, облицовок из фанеры и ДВП. Для сравнения полученных результатов также изготовливались СП из первичной древесины. Все СП изготавливались толщиной 22 мм в соответствии с [5]. Ширина реек составляла 20, 40, 60 мм, а толщина после фрезерования столярных щитов на рейсмусовом станке с двух сторон - 14 мм. Соответственно толщина облицованных материалов по 4 мм, которые приклеиваются с каждой стороны СП. Размеры СП составляли 450 × 450 × 22 мм.

Технология СП из ВИД. Общий технологический процесс получения СП из ВИД охватывает четыре основных этапа: подготовка деревянных булыжных компонентов СП; подготовка плитных и листовых компонентов СП; получения столярного щита; изготовление СП. Получение столярного щита включает подбор реек по конструкции СП (по ширине реек, по углу наклона годичных слоев, в порядке заключения), нанесение клея на кромки реек с расходом 200-250 г/м2, склеивания в вайме (режимные параметры: температура - 85 90 ºС, время выдержки - 30-40 мин, давление - 0,5-1,0 МПа), технологическая выдержка (влажность - 50 ± 5%, температура 20 ± 2 ° с) в течение 8-12 ч., фрезерование по толщине с двух сторон до 14 мм, форматный раскрой размеры 480 × 480 мм.

Завершающий этап изготовления СП включает операции: нанесение клея на столярный щит с расходом 150-200 г/м2, формирование пакета, облицовки в плоском прессе (режимные параметры: температура - 115-120 °С, время выдержки - 4-6 мин, давление - 1,2-1,3 МПа), технологическая выдержка (влажность - 50 ± 5%, температура 20 ± 2 °С) в течение 4-8 ч., раскрой по периметру размеры 450 × 450 мм. Всего для реализации экспериментальных исследований, с учетом вида облицовок, было изготовлено 18 видов СП из ВИД (рис. 1).

 

 

Рисунок 1 – Образцы СП из ВИД с шириной реек 20 и 40 мм

 

Методика определения формоустойчивости СП из ВИД. Измерение стрелы прогиба (отклонения S от плоскостности), как одной из основных характеристик формоустойчивости, осуществляли после недельной выдержки экспериментальных образцов в комнатных условиях. Измерения проводили с помощью экспериментальной установки с ЧПУ (рис. 2).

 

Рисунок 2 – Установка с ЧПУ для определения формоустойчивости СП из ВИД

 

Результаты исследований формоустойчивости СП из ВИД. Получены уравнения регрессии второго порядка, описывающее зависимость стрелы прогиба S от ширины структурных элементов, то есть ширины реек с ВИД (массив) ввиду и ширины реек с ВИД (ДСП) ВДСП. Полученное уравнение регрессии в натуральных значениях переменных факторов записывается: S = - 0,96 + 0,063ВВИД - 0,0076ВДСП + 0,00024ВВИД2 + 0,00004ВДСП2 + 0,00014ВВИДВДСП.

где ВВИД - ширина рейки с ВИД (массив) СП; ВДСП - ширина рейки с ВИД (ДСП) СП; S - усредненное отклонение от плоскостности (стрела прогиба).

Сравнение результатов эксперимента и стандартизированных значений согласно [6] показало, что только реальные отклонения от плоскостности экспериментального образца № 2 (ВВИД = 60 мм; ВДСП = 20 мм) и № 6 (ВВИД = 60 мм; ВДСП = 40 мм) является больше допустимого по степени точности 12 (табл. 1). Отклонение от плоскостности по стреле прогиба для степени точности 13 для всех экспериментальных образцов, кроме №2, удовлетворяют требованиям стандарта  [6] (табл. 1).

 

Таблица 1 – Сравнение экспериментальных и стандартизированных значений

Входные факторы, мм

Функция цели, мм

значения

допуск плоскостности

экспериментальное

значение Yэксп

расчетное

значение Yрасч

ВВИД

ВДСП

12

13

14

1

20

20

0,3

0,5

0,8

0,222

0,217

2

60

20

0,3

0,5

0,8

0,532

0,526

3

20

60

0,3

0,5

0,8

0,122

0,128

4

60

60

0,3

0,5

0,8

0,208

0,214

5

20

40

0,3

0,5

0,8

0,158

0,157

6

60

40

0,3

0,5

0,8

0,354

0,354

7

40

20

0,3

0,5

0,8

0,264

0,276

8

40

60

0,3

0,5

0,8

0,088

0,076

9

40

40

0,3

0,5

0,8

0,157

0,161

 

По результатам эксперимента осуществлено оптимизацию ширины реек с помощью градиентного метода, в результате которой выявлено, что минимальное значение отклонения Smin = 0,076 мм, взятое по абсолютной величине можно получить, зафиксировав размерные параметры ширины реек СП из ВИД следующим образом: ВВИД = 40 мм; ВДСП = 60 мм (рис. 3).

 

Рисунок 3 – Зависимость отклонения S СП от ширины рейки

 

Сравнительный анализ формоустойчивости комбинированных СП из ВИД в течение 6 месяцев представлен на рис. 4. Как видим изменение формоустойчивости для каждой ширины реек в течение 6 месяцев составляет не более 30%. Это обусловлено физико-механическими свойствами данных материалов.

Рисунок 4 – Номограммы формоустойчивости СП в течение 6 месяцев

 

Выводы.

1. Обосновано, что ВИД пригодна для изготовления СП, поскольку данный ресурс имеет низкую влажность (W = 8 ± 3%) и стабильные внутренние напряжения, что положительно влияет на формоустойчивость - напряженно-деформированное состояние конструкции CП.

2. Разработаны конструкции СП из ВИД с поочередным заключением реек из массивной древесины и реек из ДСП, а параметры СП из ВИД соответствуют требованиям ГОСТ 13715-78 и DIN 68705-2:2014-10.

3. Для обеспечения формоустойчивости СП из ВИД, которые эксплуатируются в условиях переменной влажности, желательно применять соотношение сторон в поперечном сечении реек 1: 3, а угол наклона годовых слоев в торце реек должен быть не менее 45 °.

4. Если высокая формоустойчивость плиты не требуется, для увеличения объемного выхода из ВИД, соотношение сторон в поперечном сечении реек может составлять 1: 4 или 1: 5, то есть ширина реек может составлять 60-80 мм.

5. Предложена технология изготовления СП из ВИД.

6. Созданы научно-технические основы использования ВИД в производстве СП.

 

Список использованных источников

1.      Гайда С.В. Techniques for recycled of post-consumer wood in the production of quality particleboard // Лесное хозяйство, лесная, бумажная и деревообрабатывающая пром-сть: научно-технический сборник – Львов: НЛТУ Украины. – 2014, вып. 40. - С. 41-51.

2.      Гайда С.В. Modeling properties of blockboards made of post-consumer wood on the basis of the finite element method // Лесное хозяйство, лесная, бумажная и деревообрабатывающая пром-сть: научно-технический сборник – Львов: НЛТУ Украины. – 2015, Вып. 41. - С. 39-49.

3.      Гайда С.В. Исследование физико-механических свойств вторично используемой древесины // Актуальные проблемы лесного комплекса. Выпуск 43. .175-179.

4.      Gayda S.V. A investigation of form of stability of variously designed blockboards made of post-consumer wood // ProLigno : Scientific Journal. – Editura Universitatii «TRANSILVANIA» din Brasov. – 2016. – Vol. 12. №1. – P. 22-31.

5.      ГОСТ 13715-78. Столярная плита. Спецификация. –М.: Изд-во стандартов, 1978. –7 с.

6.      ГОСТ 6449.3-82. Изделия из древесины и древесных материалов. Допуски формы и расположения поверхностей. – М.: Изд-во стандартов, 1978. – 16 с.

7.      DIN 68705-2:2014-10. Plywood – P. 2: Blockboard and laminboard for general use. – 12 p.