КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПЛИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ДРЕВЕСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПЛИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ДРЕВЕСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

Научная статья

Бегунков О.И.¹ Бегункова Н.О. ^2, *

¹ ORCID: 0000-0002-5046-4212;

² ORCID: 0000-0001-5069-9604;

^{1, 2} Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

* Корреспондирующий автор (natali-beg[at]mail.ru)

Аннотация

Глубокая переработка круглых лесоматериалов становится основным вектором развития лесного комплекса в Российской Федерации и, в частности, на Дальнем Востоке. Наблюдается постоянный рост объемов производства пиломатериалов, шпона, фанеры, древесноволокнистых и древесно-стружечных плит, а также другой продукции из древесины. В Хабаровском крае разворачивается программа «Дом Дальневосточника», которая является флагманским проектом края. В конструкции дома кроме пиломатериалов, клееного бруса предполагается использование плитных композиционных материалов с широким использованием отходов, образующихся при заготовке и переработке древесины. Одним из таких материалов может быть древесно-стружечная плита, содержащая слои из отходов лущеного шпона, образующих шпоновую решетку. В статье предлагается методика расчета таких композиционных анизотропных древесных материалов. Выбору и объективному обоснованию параметров, входящих в расчетные формулы, во многом способствовали экспериментальные исследования.

Ключевые слова: фанера, прочность, шпоновая решетка, отходы, древесно-стружечная плита.

COMPOSITE BOARD MATERIALS WITH WOOD FILLER

Research article

Begunkov O.I.¹ Begunkova N.O.^2, *

¹ ORCID: 0000-0002-5046-4212;

² ORCID: 0000-0001-5069-9604;

^{1, 2} Pacific National University, Khabarovsk, Russia

* Corresponding author (natali-beg[at]mail.ru)

Abstract

Added value processing of round timber is becoming the main vector of development of the forest complex in the Russian Federation and, particularly the Far East. There is a constant increase in the production of lumber, veneer, plywood, fiberboard, and chipboard, as well as other wood products. The program "Dom Dalnevostochnika" (House of a Resident of Far East) is being developed in Khabarovsk Krai, which is the flagship project of the region. In addition to lumber, glued beams, the construction of the house is supposed to include board composite materials with a wide use of waste generated during the harvesting and processing of wood. One of these materials can be a chipboard containing layers of peeled veneer waste that form a veneer lattice. The article proposes a method for calculating such composite anisotropic wood materials. The choice and objective justification of the parameters included in the calculation formulas were largely facilitated by experimental studies.

Keywords: plywood, strength, veneer grating, waste, chipboard.

Введение

В Российской Федерации в целом и на Дальнем Востоке, в частности, лесной комплекс встал на путь развития глубокой переработки древесины. Растут объемы производства пиломатериалов, клееного бруса, лущеного и строганого шпона, фанеры, древесно-стружечных и древесноволокнистых плит и другой продукции. В Хабаровском крае разворачивается флагманский проект «Дом Дальневосточника» [1], [2]. При изготовлении деревянных домов наряду с пиломатериалами и клееным брусом широко используются различные плитные композиционные материалы с использованием отходов древесины, образующихся при заготовке [3] и переработке древесины [4], [5]. Это несомненно будет способствовать повышению эффективности основного производства также, как и выпуск новых видов продукции. Одним из таких материалов может быть древесно-стружечная плита, содержащая слои из отходов лущеного шпона в виде полос определенной ширины, образующих шпоновую решетку. Слои шпоновой решетки могут располагаться в различных местах сечения такого композиционного материала из древесины. В статье предлагается методика расчета таких композиционных анизотропных древесных материалов. Ряд некоторых теоретических предпосылок был сделан в работах [6], [7], [9], [10].

Основная часть

Рассматриваемый композиционный анизотропный древесный материал представляет собой слоистый материал, где шпоновая решетка чередуется в определенной последовательности со слоями из других плитных материалов, например, древесно-стружечной, фанерной, древесноволокнистой и других. Общий вид такого материала с нечетным и четным количеством слоев приведен на рисунке 1. Строение шпоновой решетки показано на рисунке 2, а структура композиционного материала – на рисунке 3.

 

Рис. 1 – Схема строения композиционного древесного материала при нечетном (а) и четном (б) числе слоев

Рис. 2 – Строение шпоновой решетки

Рис. 3 – Структура композиционного древесного материала:

1 – продольный лист шпона (древесно-стружечной или древесноволокнистой плиты, фанеры); 2 – поперечный слой шпона (древесно-стружечной или древесноволокнистой плиты, фанеры); 3 – полосы шпона в шпоновой решетке

 

Если рассматривать структуру композиционного анизотропного древесного материала, то для определения суммарных площадей сечения (А), прослойки (А^пр), а также шпона и продольных полос шпоновой решетки (А^шп) можно воспользоваться следующими формулами:

где m×– число продольных полос шпоновой решетки в листе, a– шаг полос шпона в шпоновой решетке, h– толщина шпона в решетке, λ – переменная, отвечающая за наличие срединного слоя (если слой существует, то пусть λ = 1; иначе – λ = 0), k– количество слоев композиционного древесного материала, расположенных выше горизонтальной оси симметрии (при этом срединный слой не входит в число k), a = b / a – плотность шпоновой решетки, если b – ширина продольной полосы шпоновой решетки, d – толщина прослойки любого другого материала, b = d / h – степень неоднородности материала.

При расчете момента инерции поперечного сечения необходимо выделить составляющие момента инерции относительно горизонтальной оси симметрии. Для определенности пусть количество слоев n будет четным, т. е. n = 2k, а срединный слой отсутствует (λ = 0). В этом случае момент инерции прослойки можно определить как:

где с = a × m – ширина листа композиционного древесного материала, n_(2k+1) – число прослоек.

Момент инерции шпона, расположенного между горизонтальной осью и шпоновой решеткой, рассчитывается по формуле:

 

где n_j – число слоев шпона, лежащих внутри (от горизонтальной оси до шпоновой решетки), j– номер слоя такого шпона, i– номер слоя шпоновой решетки.

Момент инерции шпона, расположенного от горизонтальной оси дальше шпоновой решетки:

где n_ξ – число слоев шпона, лежащих у поверхности, т. е. дальше от горизонтальной оси, чем шпоновая решетка, ξ – номер слоя такого шпона.

Момент инерции продольных полос шпоновой решетки:

  где n_i – количество слоев шпоновой решетки. Момент инерции прослойки в плоскости шпоновой решетки:   Следовательно, суммарный момент инерции сечения можно определить следующим образом:

Понятно, что номера слоев i, j, ξ, k являются всегда положительными целыми числами. Если они принимают отрицательное значение, то их следует обнулить.

С целью уточнения влияния конструкции шпоновой решетки и места ее расположения в сечении композиционного древесного материала на прочность композита были проведены экспериментальные исследования, для которых был использован шпон лущеный из лиственницы толщиной соответственно 1,8 мм.

Влажность в соответствии с ГОСТ 99-2016 [11] приняли равной 6±2 %. Склеивание осуществлялось клеем на основе смолы КФ-Ж по ГОСТ 14231-88 [12]. Склеивание шпона осуществлялось на лабораторном прессе модели ВН-0916 с размером нагревательных плит 400 ´ 400 мм. Для контроля параметров режима прессования использовались: термопреобразователь сопротивления ТС 1088 100П, двухканальный микропроцессорный измеритель-регулятор ТРМ202-НР и 2ТРМ1-НР, микропроцессорное реле времени УТ 24-НР, автоматический преобразователь интерфейсов АСЗ-М, датчик давления МИДА-ДИ-13П-01. Прочностные характеристики получаемых образцов определялись с помощью испытательной машины WDW-50Е (универсальная электромеханическая испытательная машина с компьютерным управлением).

Применялись стандартные методы контроля, используемые в практике производства фанеры. Определялись следующие показатели свойств фанеры: влажность, предел прочности при скалывании по клеевому слою, предел прочности при статическом изгибе вдоль и поперек волокон. Все показатели определялись по соответствующим стандартам.

В качестве переменных факторов были приняты: ширина полос шпона в шпоновой решетке; проклеены или не проклеены полосы в решетке между собой; расположение шпоновой решетки в сечении пакета.

Постоянные факторы: толщина шпона, его качество, шероховатость, влажность, вязкость клея, расход клея, давление прессования, температура плит пресса, продолжительность склеивания под давлением и продолжительность снижения давления.

Уровни варьирования переменных факторов и численные значения постоянных факторов, количество опытов, повторений и наблюдений отражены в разработанной методической сетке экспериментов.

В ходе эксперимента были собраны и затем склеены пакеты шпона обычной фанеры и фанеры, имеющей в структуре шпоновую решетку. Шпоновую решетку собирали из полос шпона различной ширины (15 и 30 мм), проклеенных и непроклеенных между собой. В экспериментальных исследованиях также рассматривалось влияние места расположения шпоновой решетки в сечении композиционного древесного материала. На рисунке 4 изображены варианты расположения шпоновой решетки в пакете.

Рис. 4 – Расположение шпоновой решетки в сечении пакетов:

а – шпоновая решетка находится в 4 и 6 слоях; б – шпоновая решетка находится в 3 и 7 слоях; в – шпоновая решетка находится в 2 и 8 слоях; 1 – продольный лист шпона; 2 – поперечный слой шпона; 3 – полосы шпона в шпоновой решетке

  Сравнительные показатели механических испытаний обычной фанеры и фанеры со шпоновой решеткой приведены в таблице 1.  

Таблица 1 – Механические свойства материала

Наименование	Предел прочности, МПа
	при изгибе			при скалывании
	вдоль	поперек	вдоль		поперек
1. Фанера из лиственницы марки ФК	59	35	1,2		-
2. Материал со шпоновой решеткой:
2.1 с непроклеенными полосами шириной 30 мм	51,7	53,8	0,61		3,0
2.2 с проклеенными полосами шириной 30 мм	54,5	47,8	2,12		4,24
2.3 с непроклеенными полосами шириной 15 мм	56,5	45,5	2,06		3,77
2.4 с проклеенными полосами шириной 15 мм	66,1	64,75	2,76		5,73

  Относительное изменение прочности фанеры в зависимости от места расположения шпоновой решетки в ее сечении приведено в таблице 2.  

Таблица 2 – Относительное изменение прочности фанеры в зависимости от места расположения шпоновой решетки в ее сечении

Вид испытания	Уменьшение прочности в % относительно обычной фанеры в слоях сечения
	4 и 6	3 и 7	2 и 8	0
Предел прочности при статическом изгибе вдоль волокон, МПа	30,5	30,3	31,8	100
Предел прочности при статическом изгибе поперек волокон, МПа	31,9	30,2	22,9	100

 

Эксперименты показали, что проклеивание полос шпона в шпоновой решетке и их ширина существенно влияют на прочность фанеры. Для учета влияния ширины полос шпоновой решетки в методику расчетов было введено понятие плотности шпоновой решетки (a = b / a). Увеличению прочности фанеры способствует проклеивание полос шпона и уменьшение их ширины. Использование шпоновой решетки в структуре пакета снижает прочность материала на изгиб. Место расположения шпоновой решетки в структуре пакета (для принятых условий эксперимента) практически не влияет на прочность материала при изгибе.

Заключение

Таким образом, результаты исследований показывают, что данная методика дает возможность рассчитывать указанные характеристики для различных структур композиционного анизотропного древесного материала: от древесной плиты до фанеры, включая шпоновую решетку или нет. Методика позволяет определить геометрические характеристики применяемого материала в случае использования комбинированной структуры. Количество слоев шпона и других материалов, а также порядок их расположения может быть любым, позволяющим оптимальным образом решать соответствующие задачи. Помимо этого, рассмотренная методика оценки прочности и деформативности такого композиционного материала может служить основой для прогнозирования его прочностных свойств по свойствам входящих в него структурных элементов.

Однако проверка надежности приведенных в разработанной методике формул в достаточном объеме в работе не проводилась. Проведенный расчет для случая 2.3 (см. таблицу 1) показал превышение расчетного значения прочности при испытании вдоль волокон на 18,3 %.

На наш взгляд, предлагаемые материалы найдут свое место как в строительстве, так и в других областях промышленности. При этом использование шпоновой решетки позволяет не только более рационально использовать древесину, но и регулировать свойства изготовляемых клееных материалов. В дальнейшем, однако, необходимо учесть в методике результаты экспериментальных исследований, показавших влияние ширины полос шпона и их склеивания между собой на прочность создаваемого композиционного анизотропного древесного материала. Кроме того, надо иметь в виду, что использование шпоновой решетки в структуре пакета снижает прочность материала на изгиб в среднем приблизительно на 30,0 % как вдоль, так и поперек волокон. Однако, изменением прочности материала можно управлять, регулируя расположение шпоновой решетки в структуре пакета фанеры и количество продольных и поперечных слоев относительно его оси симметрии. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года [Электронный ресурс] : [утверждена распоряжением Правительства РФ №312-р от 01.02.2021] // Гарант – информационно-правовое обеспечение. – URL: http://www.garant.ru (дата обращения: 10.07.2021).
2. Вилин И. «Дом дальневосточника» – наш новый проект / И. Вилин // Тихоокеанская звезда. – 2-3 апреля 2021. – № 59 (28817) – 60 (28818). – С. 1.
3. Рябухин П.Б. Экономико-математическое моделирование оценки эффективности деятельности предприятий лесопромышленного комплекса / П.Б. Рябухин // Системы. Методы. Технологии. – 2020. – № 4 (48). – С. 139–144.
4. Исаев С.П. Совершенствование конструктивно-технологической системы возведения наружных стен деревянных малоэтажных зданий / С.П. Исаев // Journal of Advanced Research in Natural Science. – 2020. – № 10. – С. 59–63.
5. Исаев С.П. Совершенствование технологии стенового материала малоэтажного домостроения / С.П. Исаев, О. Ю. Еренков // Ремонт. Восстановление. Модернизация. – 2020. – № 3. – С. 12–15.
6. Чубинский А.Н. Направления использования физических методов контроля структуры и свойств древесины / А.Н. Чубинский, А. А. Тамби, А. А. Федяев и др. // Системы Методы Технологии. – 2015. – № 2 (26). – С. 152–158.
7. Щербаков А.С. Некоторые вопросы теории прочности и деформативности арболита / А.С. Щербаков // Научные труды МЛТИ. Технология древесных пластиков и плит. – 1980. – Вып. 127. – С. 5–20.
8. Щербаков А.С. Основы повышения качества арболита на древесных заполнителях : дис. … докт. техн. наук : 05.21.05 :защищена 20.11.81 : утв. 31.05.82 / Щербаков Анатолий Сергеевич. – М., 1981. – 494 с.
9. Одинокова О.А. Конструктивные особенности клееных древесных плит / О.А. Одинокова, О. И. Бегунков // Прогрессивные строительные конструкции для условий Дальнего Востока: сборник научных трудов. – Хабаровск: Изд-во Хаб. гос. техн. ун-та, 1994. – С.61–63.
10. Базаров С.М. Элементы основ механики древесной среды / С.М. Базаров, А. Н. Чубинский, И. В. Бачериков и др. // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2020. – Вып. 231. – С. 141–150.
11. ГОСТ 99-2016. Шпон лущеный. Технические условия. – Введ. 2018–04–01. – М.: Стандартинформ, 2017. – 11 с.
12. ГОСТ 14231-88. Смолы карбамидоформальдегидные. Технические условия. – Введ. 1989–07–01. – М.: ИПК Издательство стадартов, 2003. – 14 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Strategija razvitija lesnogo kompleksa Rossijskoj Federacii do 2030 goda [Strategy for the forestry complex development of the Russian Federation until 2030] [Electronic resource] : [approved by the order of the Russian Government № 312-r on 01.02.2021] // Garant – informacionno-pravovoe obespechenie. – URL: http://www.garant.ru (accessed: 10.07.2021). [in Russian]
2. Vilin I. «Dom dal'nevostochnika» – nash novyj proekt [The house of the far east's human is our new project] / I. Vilin // Tihookeanskaja zvezda [Pacific star]. –2-3 April 2021. – № 59 (28817) – 60 (28818). – P. 1. [in Russian]
3. Rjabuhin P. B. Jekonomiko-matematicheskoe modelirovanie ocenki jeffektivnosti dejatel'nosti predprijatij lesopromyshlennogo kompleksa [Economic and mathematical modeling of performance evaluation of timber industry enterprises] / P. B. Rjabuhin // Sistemy. Metody. Tehnologii [Systems. Methods. Technologies]. – 2020. – № 4 (48). – P. 139–144. [in Russian]
4. Isaev S. P. Sovershenstvovanie konstruktivno-tehnologicheskoj sistemy vozvedenija naruzhnyh sten derevjannyh malojetazhnyh zdanij [Improvement of the structural and technological system for the construction of external walls of wooden low-rise buildings] / S. P. Isaev // Journal of Advanced Research in Natural Science. – 2020. – № 10. – P. 59–63. [in Russian]
5. Isaev S. P. Sovershenstvovanie tehnologii stenovogo materiala malojetazhnogo domostroenija [Technology improvement of wall material for low-rise house building] / S. P. Isaev, O. Ju. Erenkov // Remont. Vosstanovlenie. Modernizacija [Repair. Reconditioning. Modernization]. – 2020. – № 3. – P. 12–15. [in Russian]
6. Chubinskij A. N. Napravlenija ispol'zovanija fizicheskih metodov kontrolja struktury i svojstv drevesiny [Directions of using physical methods for controlling the structure and properties of wood] / A. N. Chubinskij, A. A. Tambi, A. A. Fedjaev et al. // Sistemy Metody Tehnologii [Systems. Methods. Technologies]. – 2015. – № 2 (26). – P. 152–158. [in Russian]
7. Shherbakov A. S. Nekotorye voprosy teorii prochnosti i deformativnosti arbolita [Some questions of the theory of strength and deformability of wood concrete] / A. S. Shherbakov // Nauchnye trudy MLTI. Tehnologija drevesnyh plastikov i plit [Scientific works of MLTI. Technology of wood plastics and boards]. – 1980. – Issue 127. – P. 5–20. [in Russian]
8. Shherbakov A. S. Osnovy povyshenija kachestva arbolita na drevesnyh zapolniteljah [Fundamentals of improving the quality of wood concrete based on wood fillers] : dis. … PhD in Engineering : 05.21.05 : defense of the thesis 20.11.81 : approved 31.05.82 / Shherbakov Anatolij Sergeevich. – M., 1981. – 494 p. [in Russian]
9. Odinokova O. A. Konstruktivnye osobennosti kleenyh drevesnyh plit [Constructive features of glued wood boards] / O. A. Odinokova, O. I. Begunkov // Progressivnye stroitel'nye konstrukcii dlja uslovij Dal'nego Vostoka: sbornik nauchnyh trudov [Progressive building structures for the conditions of the Far East: collection of scientific papers]. – Habarovsk: Publishing house of Hab. gos. tehn. un-ta, 1994. – P.61–63. [in Russian]
10. Bazarov S. M. Jelementy osnov mehaniki drevesnoj sredy [Elements of the basics of wood environment mechanics] / S. M. Bazarov, A. N. Chubinskij, I. V. Bacherikov et al. // Izvestija Sankt-Peterburgskoj lesotehnicheskoj akademii [Bulletin of the St. Petersburg Forestry Academy]. – 2020. – Issue 231. – P. 141–150. [in Russian]
11. GOST 99-2016. Shpon lushhenyj. Tehnicheskie uslovija [Cut veneer. Specifications]. – Introdused 2018–04–01. – M.: Standartinform, 2017. – 11 p. [in Russian]
12. GOST 14231-88. Smoly karbamidoformal'degidnye. Tehnicheskie uslovija [Urea-formaldehyde resins. Specifications]. – Introdused 1989–07–01. – M.: IPK Publishing house of standarts, 2003. – 14 p. [in Russian]