МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДСтП

Познакомлю вас с представлениями о моделировании структуры ДСтП профессора С-Петербургского лесотехнического университета А.А.Леоновича.

При построении модели используем 8 древесных частиц и 8 вариантов клеевых соединений как наиболее типичных. Заменим реальные древесные частицы параллелепипедами с гранями, представляющими проекцию реальных поверхностей. Плотность брикета отражает степень дезориентации частиц относительно оси ковра и по его толщине. При составлении модели (рис. 1) в плоскости брикета ограничимся двумя направлениями частиц: частица 6 расположена под углом 90° к продольной оси ковра, остальные - параллельно оси. Частица 4 нарушает параллельность в расположении частиц по толщине ковра. Отметим, что расположение частиц в ДСтП закладывается на стадии формирования древесностружечного ковра и завершается при горячем прессовании.

Рис. 1. Модель расположения частиц в ДСтП (обозначения в тексте)

Разумеется, ограниченная набором частиц модель не является элементарным характеристическим объемом из-за отсутствия строгой структурной регулярности брикета. Модель не отражает многие аспекты, как-то: конструкцию плиты по слоям, разброс древесных частиц относительно оси ориентации при формировании ковра и др. Она не может быть основой для математического моделирования структуры и образования ДСтП, но позволяет в описательной форме рассмотреть специфику вариантов клеевых соединений.

Выделим три варианта контакта между частицами. Первый вариант — в контакт вступают участки древесных частиц с нанесенными на них участками (каплями) связующего. Второй — участок древесной частицы с нанесенным на него связующим вступает в контакт с участком частицы, на котором связующее отсутствует. Он уступает по прочности первому. В третьем варианте контактируют участки древесины двух частиц без участия связующего.

Основной вклад в прочность плиты вносят взаимодействия, приходящиеся на пласти частиц, расположенных нормально к плоскости прессования. Например, клеевое соединение «а». Практически не возникает взаимодействия при контакте частицы 7 с частицей 8.

Связующее при нанесении распределяется дискретно и неравномерно. Установлено, что оно в большей степени сосредотачивается на торцевых поверхностях частиц как обладающих более высокой удельной свободной поверхностной энергией. Такие участки обозначены «г» и «д».

Древесные частицы имеют различные размеры и ориентацию. Чем больше удельная площадь частиц и чем равномернее распределено по их поверхности связующее, тем выше вероятность образования более жесткой пространственной структуры плиты. Важно также, чтобы колебания по толщине в пределах частиц одного слоя были минимальны. На модели частица 2 имеет меньшую толщину, чем частицы 3 и 8. В результате давление прессования Р воспринимается этими частицами, что выгодно для клеевых соединений «а» и «в», но соединение «б» оказывается ослабленным или вообще не образуется. На модели показан участок «ж», по условиям формирования ковра не участвующий в образовании прочного каркаса плиты. Участок «е» иллюстрирует разнонаправленность древесных волокон в контактирующих частицах. Из-за шероховатости при наложении частиц 6 и 7 плотность контакта между ними уменьшается; прочность на участке «е» может оказаться ослабленной.

В модель не включены контакты по боковым граням частиц.

При отсутствии ориентации древесные частицы располагаются хаотично в плоскости плиты. Число участков типа «ж» возрастает. Давление при образовании клеевых соединений обусловлено только расширением брикета при горячем прессовании.

В условиях горячего прессования брикет деформируется. Условия деформирования оказываются различными в слоях в зависимости от влажности и температуры. С их повышением развиваются вынужденноэластические и даже пластические деформации. Внутренние слои в момент достижения давления прессования имеют температуру цеха, если не предусматривается предварительный прогрев брикета до поступления его в горячий пресс. В них проявляются упругие деформации. Все частицы подвергаются в той или иной степени сжатию. Некоторые — изгибу. В частности, частица 4 находится в сложнонапряженном состоянии. При снятии внешнего давления при незавершенности релаксационных процессов клеевое соединение участка «з» испытывает растягивающее напряжение. Создаются условия для образования и роста трещины в слое отвержденного связующего. Подобные трещины, однако, не являются магистральными и обусловливают лишь накопление дефектов, но не мгновенное разрушение.

Для прочности ДСтП угол наклона древесных частиц имеет большое значение в связи с характером возникающих напряжений. Согласно расчетам, разрыв древесных частиц вдоль волокон происходит при постоянном значении средних напряжений в плите, если частицы ориентированы вдоль направления усилия (а = 0) или под углом не более а = π/12. Это объясняется тем, что такие частицы наиболее нагружены при растяжении. Чтобы достичь разрушения частиц, расположенных под увеличивающимся углом наклона, необходимо соответственно возрастающее напряжение.

Значения средних напряжений в плите, необходимых для разрушения древесных частиц поперек волокон, естественно, значительно выше, чем вдоль волокон. Поэтому в расчете прочности ДСтП используют величину прочности вдоль волокон древесных частиц при значениях утла от — π/12 до +π/12. Отсюда прямое указание на необходимость ориентации как можно большей доли частиц в направлении растягивающего усилия для равномерной передачи напряжений по объему плиты.

Если при формировании ковра частицы будут сориентированы, то прочность ДСтП в направлении ориентации удвоится, приближаясь к прочности массивной древесины. При хаотичном расположении прочность при изгибе во всех направлениях одинакова и составляет примерно половину от прочности древесины.

Величина наименьших средних напряжений в плите, при которых происходит разрыв древесных частиц, зависит от породы древесины: для ели а = 19,7 МПа; сосны 13,8; березы 39,4; бука 35,7. Вместе с тем сопротивление разрушению плиты дополняется затратами энергии на выдергивание древесных частиц и на разрушение полимерной матрицы. Поэтому расчетные величины носят ориентировочный характер и на современном уровне не дают хорошей сходимости с экспериментом. Так, прочность ДСтП из древесины березы оказывается ниже, чем из хвойных пород древесины.

Таким образом, модель для изучения процессов образования ДСтП должна учитывать геометрию и размеры древесных частиц, количество и распределение связующего по их поверхности, расположение частиц в брикете, характер деформации древесных частиц, вероятность включения микрообъемов (капель) связующего в образование клеевых соединений, природу контакта во время горячего прессования (связующее — связующее или связующее — древесина), условия образования клеевого соединения (давление, температура), исходя из расположения конкретных взаимодействующих частиц в брикете. К основным факторам также относятся: порода древесины, вид сырья, вид связующего, уровень влажности древесного сырья и частиц, наличие добавок специального назначения. Почти все факторы в той или иной степени взаимодействуют друг с другом. Их нельзя варьировать изолированно без опасения снижения уровня качества. Например, повышение длины древесных частиц увеличивает прочность плит при изгибе, но ухудшает качество их поверхности, что легко видеть, если частицу 4 на рис. 1 переместить так, чтобы она находилась на поверхности.

Если перейти на масштаб всей плиты, то рассмотренная модель должна учитывать конструкцию плиты — трехслойная, многослойная и др. Она должна включать параметр проницаемости брикета для тепло- и массопереноса в процессе горячего прессования, что учитывается толщиной и плотностью прессуемой плиты, распределением плотности по слоям, влажностью стружечно-клеевой массы слоев. Температура и давление прессования являются задаваемыми факторами.

Функцией отклика такой многофакторной модели являются: технологический режим изготовления ДСтП, основные показатели свойств плит, пригодность к отделке и последующему использованию, долговечность. Понятно, что создание аналитической и экспериментально-статистической модели всего процесса потребует ряда допущений, приведет из-за разнонаправленного взаимодействия факторов к потере адекватности и окажется мало полезной для понимания механизма образования ДСтП. Более продуктивно содержательное изучение явлений для их понимания, для ответа на вопрос "почему?" А оптимизацию технологических параметров на следующем этапе рациональнее проводить в многофакторном эксперименте. Такой подход открывает возможность совершенствования технологии ДСтП, модифицирования продукции с получением плит заданного уровня качества.