Рыночная экономика предъявляет требования к использованию в промышленности и строительстве дешевых недефицитных материалов, заменяющих природные. Одним из таких материалов является МДФ ламинированный и шлифованный. МДФ представляет собой древесноволокнистую плиту средней плотности. Материал обладают однородной структурой, размерной стабильностью, легкостью обработки, теплостойкостью, хорошей звукопоглощающей способностью, имеет широкий диапазон плотности от 500 до 800 кг/м3 и толщин – от 6 до 50 мм. По своим физико-механическим показателям плиты МДФ не уступают цельной древесине и успешно ее заменяют. При этом цена на МДФ гораздо ниже, чем на древесину.
Основным в производстве МДФ в мировой практике является сухой способ, реализуемый на специальных установках непрерывного действия. Кстати аббревиатура МДФ произошла от англоязычной MDF (Medium Density Fiberboard). На территории страны имеются заводы, выпускающие твердые ДВП по мокрому способу производства, которые могут быть приспособлены для получения плит типа МДФ. Отсутствие технологии изготовления таких плит по мокрому способу поставило перед нами задачу по ее разработке. В связи с этим были проведены исследования в лабораторных условиях на оборудовании фирмы Zemak. Для изготовления МДФ плит использовалась промышленная древесноволокнистая масса, полученная на установке УГР-02 из смешанного сырья с преимущественным содержанием лиственных пород. Степень помола массы – 20-22 ДС. В качестве связующего применялась малотоксичная фенолформальдегидная смола 8% концентрации с расходом 2,5% к волокну. Гидрофобизатором служила гачевая эмульсия с расходом 2% к волокну. Проклеивающие добавки осаждались на волокна 2%-ой серной кислотой, которая вводилась в массу до значения pH 4,4. Было установлено, что плита МДФ мокрого способа производства имеет следующие преимущества:
1. Достигается экономия энергии на размол за счет снижения степени помола волокна с 35-40ДС до 20-22ДС;
2. Сокращается расход связующих веществ в 3 раза;
3. Повышается водостойкость МДФ плит и снижается их токсичность.
Это подтверждает целесообразность перепрофилирования предприятий на выпуск плит типа МДФ.
При производстве ДВП приходится сталкиваться с рядом проблем, связанных с необходимостью получения плит с высокими физико-механическими показателями при пониженной плотности.
Физико-механические свойства древесных композиционных материалов в значительной степени определяются глубиной отвердения связующего и физико-химическими процессами, протекающими на границе раздела фаз полимер-древесина. Последние зависят прежде всего от степени разработки древесных волокон, их пластичности и реакционноспособности.
Проведенные исследования по изучению влияния различных реагентов на процесс получения и качества волокнистых полуфабрикатов показали, что карбамид (реагент щелочного характера) на стадии пропарки щепы ускоряет процесс размола и повышает качество МДФ плит. Отмечается снижение нагрузки на главный двигатель с 42 до 37 А для дефибратора и с 15 до 10 А для рафинатора.
Карбамид способен вызвать изменения в древесинном веществе, повышающие его реакционную способность. Используемые растворы карбамида в воде имели рН 7,2-7,5. Обработка древесины перед размолом такими слабощелочными растворами способна вызвать лишь гидролиз сложноэфирных связей между уроновыми кислотами и лигнином с появлением новых гидроксильных групп, а также отщепление ацетильных и карбоксильных групп гемицеллюлоз. То есть глубокой деструкции древесины не происходит. В то же время, создаются необходимые условия для образования новых химических связей. Именно это и способно вызвать улучшение физико-механических показателей качества МДФ плит.
Это выражается в увеличении степени помола с 15 до 18,3 ДС и прочности с 35 до 49 МП, кроме того, создается возможность снизить температуру и продолжительность пропаривания без ухудшения прочностных свойств получаемых плит. Снижение температуры прессования на 20 С позволяет сэкономить около 100000 кДж тепловой энергии на тонну сырья.
Одним из основных компонентов древесины, отвечающим за прочностные показатели МДФ плит, является лигнин. Поэтому особенно интересно изучить механизм его взаимодействия с карбамидом в условиях, близких к параметрам размола щепы и горячего прессования плит типа МДФ.
Для определения направления процессов, протекающих между лигнином и карбамидом, были проведены исследования изменения молекулярно-массового распределения образцов лигнина Бьеркмана, обработанных растворами карбамида с расходом 3,6% и 12%, в течение 1,3 и 5 минут, при температуре 160 С, методом фракционирования на сефадексе.
Молекулярно-массовое распределение (ММР) определялось методом гельхроматографии, для которой использовалась колонка, диаметром 15 мм, содержащая 100 см3 геля (сефадекса марки G-50). В качестве элюэнта применяли 0,2 М раствор хлористого лития в диметилсульфоксиде (ДМСО). Фракционированию подвергли около 1 мг препарата лигнина в виде 0,1%-го раствора, отбирая фракции элюэнта с объемом 2,5-3,5 мл с помощью автоматического коллектора типа Labimex 301 В. Такое количество образца позволяет определять содержание лигнина в отдельной фракции без разбавления растворителем, измеряя только оптическую плотность при 280 нм.
Для количественной характеристики происходящих изменений во фракционном составе образцов исходного и обработанного лигнина гель-хроматограммы (кривые зависимости оптической плотности от элюэнтного объема) были разделены на три фракции:
1. С молекулярной массой более 4000.
2. С ММ в пределах 1000-4000 (как показали исследования, это основная фракция в исходном лигнине).
3. С ММ ниже 1000.
Анализируя результаты гель-хроматографии, нужно отметить конкуренцию конденсационных и деструкционных процессов, протекающих при воздействии на лигyин карбамида и температуры. Это связано с активным протеканием реакций сшивки карбамида с лигнином в начальной стадии и термической деструкции лигнина при длительной термообработке.
Анализируя приведенный материал, можно сделать следующие выводы:
1. Существует возможность организации производства МДФ плит на базе технологического оборудования для мокрого способа.
2. При взаимодействии карбамида с древесиной происходит ряд конкурирующих между собой превращений как конденсационного, так и деструкционного характера.
3. использование карбамида в качестве активирующего реагента перед пропариванием щепы позволяет существенно повысить физико-механические показатели плит МДФ.