РАЗРАБОТКА СПОСОБА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СТЕБЛЕЙ ХЛОПЧАТНИКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОНДИЦИОННОЙ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТОЙ МАССЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНО-ПЛАСТИКОВЫХ ПЛИТ

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты исследований физико-химических и прочностных свойств стеблей хлопчатника и приведен двухстадийный способ и установка для измельчения стеблей хлопчатника для получения кондиционной древесноволокнистой массы с целью применения в производстве композиционных древесно-пластиковых плитных материалов.

Разработан двухстадийный способ и установка для измельчения стеблей хлопчатника для получения древесноволокнистой массы, которая применяется в производстве композиционных древесно-пластиковых плитных материалов.

ABSTRACT

The paper presents the results of studies of the physicochemical and strength properties of cotton stems and presents a two-stage method and installation for crushing cotton stems to obtain a conditioned wood fiber mass for use in the production of composite wood-plastic board materials. And also a two-stage method and installation for crushing cotton stalks to obtain wood-fiber pulp, which is used in the production of composite wood-plastic board materials, has been developed.

Ключевые слова: стебли хлопчатника, измельчение, древесноволокнистая масса, предел прочности при изгибе, древесно-пластиковый плитный материал.

Keywords: cotton stalks, grinding, wood fiber pulp, bending strength, wooden plastic slab material.

Введение. В настоящее время в мировой практике фанера и фанероподобные древесно-стружечные плитные материалы широко применяются в стройиндустрии, автомобилестроении, мебельной и других отраслях промышленности. В настоящее время спрос на древесно-полимерные материалы значительно повысился. Особое значение имеет разработка новых технологий и внедрение в практику древесно-пластиковых плитных материалов (ДППМ) строительного назначения.

На сегодняшний день уделяется особое внимание разработке эффективной технологии получения композиционных древесно-пластиковых материалов, обеспечивающей высокие физико-механические свойства материалов.

В Республике Узбекистан проводятся мероприятия по организации развития производства новых эффективных композиционных древесно-пластиковых плитных материалов.  В регионе стебли хлопчатника имеются в большом объеме и могут быть отличным сырьем для производства древесно-пластиковых плитных материалов, но из-за отсутствия эффективной технологии их переработки и измельчения, они редко применяются. Поэтому актуальной проблемой является разработка эффективной технологии получения композиционных древесно-пластиковых материалов из стеблей однолетних растений, особенно из стеблей хлопчатника, их измельчение и получение на их основе кондиционной древесноволокнистой массы для производства древесно-пластиковых плитных материалов.

Целью исследования является разработка способа измельчения стеблей хлопчатника, позволяющая получить кондиционную древесноволокнистую массу для производства древесно-пластиковых плитных материалов.

Объект и методика исследования. Объектом исследования были выбраны стебли хлопчатника. Хлопчатник - однолетнее полевое растение, которое растет в виде кустов. Высота растения в зависимости от сорта и агротехнических приемов возделывания колеблется в широких пределах (0,8÷1,4 м). От основания стебля отходят боковые ответвления и плодоносящие ветви с коробочками. Кора имеет толщину 0,3-0,4 мм, плотно прилегает к древесной части стебля и состоит из прочных лубяных волокон. Волокна имеют поперечные связи и отделяются от стебля в виде полос. У стеблей хлопчатника с влажностью или после их длительного хранения при перетирании коры верхняя кожица и поперечные связи разрушаются, и можно невооруженным глазом ясно различить лубяные волокна. Они очень упруги, эластичны и обладают высокой прочностью на разрыв. В большей степени они обуславливают высокие прочностные свойства стебля.

Коробочки на стеблях хлопчатника после уборки хлопкоуборочной машиной остаются в очень незначительном количестве.

Соотношение отдельных частей от веса стебля составляет в (%):

- древесина стебля  - 50

- коробочки                - 6

- кора                       - 30

- корневая часть    - 14

В качестве полимерного связующего была выбрана мочевиноформальдегидная смола марки КФ-МТ (содержащих 0,2-0,3% водного формальдегида).

Химический состав и физико-механические свойства стеблей хлопчатника и древесно-пластиковых плитных материалов были определены общеизвестными методами и на установках, установленными ГОСТ.

Результаты исследования и их анализ. Для разработки эффективного способа измельчения стеблей хлопчатника и получения кондиционной древесноволокнистой массы нами были, в первую очередь, исследованы состав, физико-химические и прочностные свойства стеблей хлопчатника.

Был исследован химический состав древесины и стеблей однолетних растений. Так в таблице 1 для анализа приведен химический состав древесины некоторых пород и однолетних пород.

Как видно из таблицы 1, стебли хлопчатника являются очень сложны по составу и превосходят по этому показателю древесину. Необходимо отметить, что основные составные части стеблей хлопчатника ближе к древесине [1-2].

В таблице 1 приведены сравнительные данные по химическим составам древесины и стеблей однолетних растений.

Таблица 1.

Химический состав древесины некоторых пород и однолетних растений

Целлюлоза является основным веществом стеблей, обеспечивающим его упругость и механическую прочность. Ее сопротивление растяжению в волокне колеблется от 2,5 х 10⁴ до 6 х 10⁴ Н/см² [3] (260,3 – 624,7 МПа). Целлюлоза обладает достаточной стойкостью к тепловым воздействиям. При определенных условиях целлюлоза гидролизуется, превращаясь в моносахариды. Молекулы целлюлозы составляют 200-3500 однородных молекулярных групп, объединенных в тонкую (5,7 х 10⁷см), вытянутую в одном направлении, длинную (1 х 10^-5 -1,8 х 10^-4 см) нить [4].

В процессе гидролиза при действии ультрафиолетовых лучей (фотохимическая деструкция), длительном действии повышенных температур (термическая деструкция) и механических воздействиях (механическая деструкция) происходит разрыв глюкозных связей, вследствие чего макромолекула распадается на короткие цепи [5].

Лигнин — является коллоидным веществом и при определенных условиях приобретает функции связующего. Клетки связываются в единый каркас межклеточным веществом, содержащим главный образом, лигнин (60-90%) [6].

Исследования физико-механических свойств стеблей хлопчатника описываются в работах авторов [7, 8, 9, 10]. Были изучены физико-механические свойства стеблей хлопчатника, такие как: жесткость, коэффициент трения, влажность и т.д. [10]. Жесткость и модуль упругости стеблей хлопчатника при изгибе в зависимости от влажности приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, с увеличением влажности от 12 до 61,2% жесткость и модуль упругости стеблей хлопчатника уменьшается в 1,6 раз при среднем диаметре стебля 13 см. Объемный вес стеблей колеблется в пределах 69-70 кг/м³. Влажность стеблей хлопчатника в зависимости от времени года составляет от 9 до 65%.

Таблица 2.

Влияние влажности на жесткость и модуль упругости при изгибе стеблей хлопчатника

Также исследовано временное сопротивление разрыву [7] поперечного сечения стеблей хлопчатника в зависимости от его диаметра (табл. 3)

Таблица 3.

Зависимость временного сопротивление разрыву от диаметра стеблей хлопчатника

Автором изучена жесткость стеблей обезлиственного хлопчатника при изгибе, определенная методом вибрации в послеморозный период на сорте 18 и при влажности стебля 25-30% в зависимости от диаметра, которая приведена в таблице 4.

Таблица 4.

Зависимость жесткости от физического диаметра стебля

Анализируя состав, строение и физикомеханические свойства стеблей хлопчатника, можно отметить следующие:

- стебли хлопчатника, особенно древесная часть, близки по своим свойствам к древесине лиственных пород и могут быть использованы в производстве древесных плит;

- в отличие от древесных отходов, обычно используемых в производстве ДСП, стебли хлопчатника должны измельчатся вместе с корой, так как она составляет часть объема;

- в производстве плитных материалов к размеру и форме ча

стиц предъявляются жесткие требования. Следовательно, из стеблей хлопчатника должны быть получены не просто мелкие куски, но и частицы определенной дисперсности и формы, а также волокна.

Все это требует нового подхода к проблеме измельчения стеблей хлопчатника, и она может быть решена при разработке нового и эффективного способа измельчения и получения кондиционной древесноволокнистой массы, позволяющего получать композиционные древеснопластиковые плитные материалы с высокими физико-механическими свойствами.

Далее рассмотрим разработку нового способа измельчения стеблей хлопчатника.

Необходимо отметить, что одни ученые получили древесно-стружечные плиты только используя древесные части стеблей хлопчатника. Другие для получения древесно-стружечных плит использовали древесную часть стеблей хлопчатника совместно с древесными стружками. Однако при этом в обоих случаях вопрос отделения коры от древесной части не был решен. Кроме того, при этом кора и мелкие части стеблей хлопчатника оставались как отход производства.

Исследования, проведенные в последние годы учеными в области измельчения стеблей хлопчатника, показали, что ни на одном из существующих видов измельчителей невозможно получить кондиционную древесноволокнистую массу из стеблей хлопчатника без отходов, так как они существенно отличаются от древесины и других древесных отходов наличием прочной и упругой стеблевой корой. Волокна, входящие в состав коры, обволакивают режущие органы измельчительной машины, что приводит к частой остановке машин или поломке режущих инструментов и их замене.

Следовательно, из стеблей хлопчатника должны быть получены не просто мелкие куски, но и частицы и волокна определенной дисперсности и формы, то есть кондиционная древесноволокнистая масса.

На основе теоретического и практического анализа нами разработан безотходный способ двухстадийного измельчения стеблей хлопчатника, позволяющий получать кондиционную древесноволокнистую массу резанием.

На первом этапе для получения кондиционной щепы резание стеблей хлопчатника осуществляли вместо волокнистой части (коры) с древесной части при определенной длине с равным срезом без торцевых кромок. На втором этапе было осуществлено измельчение щепы и получена кондиционная древесноволокнистая масса, позволяющая получить композиционные древесно-пластиковые плитные материалы с высокими функциональными характеристиками.

На рисунке 1 приведено схематичное изображение модернизированной установки для измельчения стеблей хлопчатника и получения щепы из них. Она включает в себя следующие узлы и детали: стол 1, раму 2, установленную на столе 1 дисковую пилу 3 с приводом (на рисунке не показан), закрепленную на раме 2, а также направляющую линейку 4, имеющая возможность горизонтального перемещения с целью регулирования длины щепы при резке обрезной древесины, верхнюю планку 5, установленную над зоной резки и бункер 6 для щепы.

1 – стол; 2 – рама; 3 – дисковая пила; 4 – направляющая линейка; 5 – планка; 6 – бункер для щепы

Рисунок 1. Схематичное изображение установки для получения щепы из обрезной древесины

Принцип работы установки состоит в следующем:

Пучок стеблей 2 подается в зону резки и проходит через выступающий сектор пилы, устанавливаемый под столом станка. Величина выпуска пилы над поверхностью стола установлена на определенную высоту. 

Зазор между пилой и направляющей линейкой дает длину щепы (1ш). При измельчении стеблей хлопчатника щепа будет иметь направленное движение по вектору линейной скорости пилы, что обеспечивается верхней планкой. На конце стола установлен бункер 6 для сбора щепы.

На основе разработанных чертежей установка изготовлена в специальном конструкторском бюро ООО «КВ-КОМРОZIТ».

На рисунке 2 показано схематичное изображение модернизированной установки для измельчения щепы резанием и получения древесноволокнистой массы для создания композиционных древесно-пластиковых плитных материалов.

1- нож; 2-контрнож; 3-ножевой барабан; 4-накладки; 5-бункер; 6-стол станка; 7-бункер накопитель

Рисунок 2. Схематичное изображение установки для получения древесноволокнистой массы из щепы стеблей хлопчатника

Схематично устройство представлено на рисунке и включает в себя следующие узлы и детали: нож 1, контрнож 2, ножевой барабан 3, накладка 4, бункер 5, стол станка 6.

Работа установки состоит в следующем: щепа стеблей хлопчатника подается в бункер 5 и далее попадает в зону резки между ножом барабана и контрножом, затем в виде древесноволокнистой массы попадает в бункер накопитель.

Следовательно, путем объединения первичного и вторичного цикла измельчений стеблей хлопчатника в одной технологической линии, был разработан новый двухступенчатый способ получения кондиционной древесноволокнистой массы, для производства древесно-пластиковых плитных материалов.

Далее рассмотрим характеристики древесно-волокнистой массы полученной разработанным способом из измельченных стеблей хлопчатника.

На рисунке 3 приведены отличительные характеристики измельченных стеблей хлопчатника, такие как наличие волокнистой части, сердцевины и разнородность размера и формы древесных частиц.

Рисунок 3. Фракционный состав измельченной массы стеблей хлопчатника

Примечание: на рисунке 1 цифры в углу фотографии означают следующее: первая цифра - размер ячейки сита в миллиметрах, через которую прошла данная фракция; вторая цифра - размер ячейки сита в миллиметрах, на котором выделена данная фракция; третья цифра - длина щепы в миллиметрах, из которой получена данная стружка.

Из рисунка 3 видно, что при измельчении стеблей хлопчатника образуется древесно-волокнистая масса, состоящая из древесных частиц иглообразной формы, волокнистых включений, образованных из коры, и мелкой фракции, состоящей из дробленой части древесины и сердцевины стебля.

Каждый из этих компонентов имеет свои прочностные свойства, физические характеристики и химический состав, размер и форму частиц. Так, исследованием установлено, что насыпной вес различных измельченных фракций составил от 0,224 до 1,96 кг/л, спрессовываемость – 90%, упругость – 1,6%. Это обстоятельство является главным отличительным признаком наполнителя из стеблей хлопчатника и требует изучения и корректировки всех технологических режимов производства плитного материала.

Сложный по составу и разнородный по размерам и форме частиц наполнитель, особенно из-за наличия пушистого лубяного волокна, при механическом и пневматическом сепарировании и транспортировке ведет себя иначе, чем древесная стружка, что также требует дальнейшего изучения насыпной плотности, летучести и фракционирования измельченных стеблей хлопчатника.

Таким образом, разработан новый способ и усовершенствованы устройства для измельчения стеблей хлопчатника и получение кондиционной древесно-волокнистой массы для производства древесно-пластиковых плитных материалов.

Заключение

Исследованы состав, физико-химические и прочностные свойств стеблей хлопчатника. Установлено, что стебли хлопчатника состоят из 50% древесины стеблей, 6% коробочок, 30% коры и 14% корневой части. Они также состоят из 40% целлюлозы, 13-20% пентозана, 20% лигнина, 3,0% протеина, 1,2% аминокислоты, 0,3% минерального азота, 4% золы.

Также установлено, что объемный вес стеблей хлопчатника в сухом состоянии составляет 0,38-0,42 г/см, а предел прочности при изгибе – 0,60-0,68 МПа.

Показано, что в зависимости от влажности (12 до 61,5%), жесткость стеблей хлопчатника составляет от 2950,30 до 1459,66 кг/см², а модуль упругости при изгибе (τ = 7мм) от 9993 до 6206,04 МПа. Насыпной вес различных фракций измельчения от 0,224 до 0,196 кг/л, прессовываемость стружки – 96% и упругость – 16%.

Разработан двухстадийный способ и установка для измельчения стеблей хлопчатника для получения древесноволокнистой массы, которая применяется в производстве композиционных древесно-пластиковых плитных материалов.

Список литературы:

1. Усманов Х.Ч., Минина В.С., Зарипова А.М. Перспективы химической переработки отходов хлопководства. Ташкент, ФАН, 1964, 126 с.
2. Мелони Т. Современное производство древесно-стружечных и древесноволокнистых плит. Перевод с анг. В.В. Амалицкого и Е.И. Карасева, М., 1982, Лесная промышленность, 86-87.
3. Буланже Н. Промышленное использование растительных отходов по способу Барклан //Предприятие. 1932, №2.
4. Ивановский Е.Г. Резание древесины. Лесная промышленность. М.-1975.
5. Белый В.А., Врублевский В.И., Купчинов Б.И. Древесно-полимерные конструкционные материалы и изделия. Минск. С. 5-8.
6. Грубе А.Э., Санев В.И. Основы теории и расчета деревообрабатывающих станков машин, автоматических линий. М.: 1973, С. 96.
7. Назиров М.М. Наука и хлопок. Ташкент, 1977, 27 с.
8. Сабликов М.Н., Ганиев М.С. О некоторых физико-механических свойствах измельченной массы стеблей хлопчатника. Ташкент, Механизация хлопководства, 1971, № 8, С. 5-6.
9. Мавлянов Н. Исследование процесса прессования и заготовки стеблей хлопчатника. Дис.на соиск., к.т.н. 1965. С. 16-22.
10. Шаглев Н.А., шаглева М.Ф. О некоторых физико-механических свойствах измельченной массы стеблей хлопчатника. Ташкент, Механизация хлопководства, 1982, № 8, С. 9-12.