PL238989B1

PL238989B1 - Sposób wytwarzania płyt, zwłaszcza budowlanych o obniżonej gęstości

Info

Publication number: PL238989B1
Application number: PL424449A
Authority: PL
Inventors: Radosław Mirski; Adam Derkowski; Dorota Dziurka
Original assignee: Univ Przyrodniczy W Poznaniu
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2021-10-25
Also published as: PL424449A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania płyt, zwłaszcza budowlanych o obniżonej gęstości, wytwarzanych z materiału drewnopochodnego, przeznaczonych do szerokiego zastosowania w budownictwie.

Płyty drewnopochodne stosowane jako poszyciowe lub konstrukcyjne w budownictwie muszą spełniać wymagania normy PN-EN 312. Najpowszechniej używane są płyty zakwalifikowane jako typ P5, czyli jako budowlany materiał na elementy konstrukcyjne do użytkowania w warunkach wilgotnych.

Pierwsze wzmianki o płycie zbieżnej konstrukcyjnie z współczesnymi płytami OSB pochodzą z lat 70-tych XX wieku. Płyty takie miały stanowić alternatywę dla droższych i cięższych, a przez to bardziej kłopotliwych w wytwarzaniu i transporcie sklejek. Z opisu US4246310 znana jest płyta wytworzona z losowo zorientowanego materiału drzewnego, jaki po wymieszaniu ze spoiwem został uformowany i sprasowany pod wysokim ciśnieniem.

Do wytwarzania tych płyt używa się materiału drzewnego o stosunkowo wysokim stopniu rozdrobnienia, maksymalna długość wiórów używana do ich produkcji nie przekracza 30 mm a szerokość 10 mm. Niemniej udział tego typu wiórów w ogólnej masie płyty nie przekracza 5%-20%. Płyty tego typu wytwarzane są bowiem jako 3-warstwowe lub jednowarstwowe. W pierwszym przypadku warstwy zewnętrze stanowią wióry bardzo drobne (mikrowióry), a warstwę środkową wióry większe (właściwe). W drugim natomiast przypadku używa się tylko wiórów właściwych. Obydwa rodzaje wiórów można scharakteryzować ich gęstością nasypową, która w przypadku mikrowiórów wynosi 320 kg/m 3, a wiórów właściwych 120 kg/m³. Ponieważ właściwości mechaniczne płyt drewnopochodnych silnie związane są z gęstością oraz konstrukcją płyty, a norma wymaga spełnienia wysokich wartości, płyty tego typu charakteryzują się wyższą gęstością od płyt przeznaczonych na inne cele lub wytworzonych z materiału o mniejszym stopniu rozdrobnienia. Powszechnie płyty typu P5 wytwarza się o gęstości 700-750 kg/m³.

Użycie wiórów bardzo drobnych (mikrowiórów) do formowania warstw zewnętrznych powoduje większe zagęszczenie tych warstw, co pozwala zmniejszyć średnią gęstość płyt i lepiej wykorzystać surowiec drzewny. Natomiast stosowanie wiórów właściwych w całej masie kobierca pozwala ograniczyć zużycie kleju. Wykorzystanie wiórów o wyższej gęstości nasypowej (wiórów o mniejszych wymiarach liniowych) pozwala na wykorzystanie w produkcji płyt surowca gorszej jakości, niemniej wraz ze zmniejszaniem się wymiarów liniowych wiórów (głównie długości i szerokości) istotnie obniża się wytrzymałość wytworzonych płyt.

Podstawowym problemem, jaki muszą przezwyciężać wytwórcy jest niejednorodność materiału drzewnego pod względem wymiarowym oraz wilgotnościowym, a także to, że podczas prasowania spoiwo - zwykle żywica termoutwardzalna, nie jest aktywowane lub jest aktywowane niedostatecznie w pełnym przekroju kobierca. Dlatego zmieszane ze spoiwem wióry wstępnie formuje się w warstwy i ogrzewa przed wprowadzeniem do prasy, w której następuje dalszy wzrost temperatury i sprasowanie cząstek. Prasowanie prowadzi się od kilkunastu do nawet kilkudziesięciu sekund, w skrajnych przypadkach nawet 2 minuty na milimetr końcowej grubości płyty. Z kolei problem wilgotności surowca rozwiązuje się susząc go do minimalnej wilgotności, a następnie zwilżając, aby uzyskać właściwą wilgotność formowanego kobierca.

Znane są metody wytwarzania płyt, jak na przykład ujawniona w opisie US7326456, w której gęstość rdzenia (najniższa możliwa) jest większa o 80% od gęstości powierzchniowej. Przy czym płyta ma zasadniczo jednolity profil gęstości i jak wskazuje opis budowę trójwarstwową, przy czym w tym przypadku warstwy zewnętrzne różnią się od środkowej ułożeniem wiórów wzdłuż osi głównej płyty. Płyty te uzyskuje się tradycyjną metodą prasowania wiórów drzewnych o określonych wymiarach i określonej gramaturze wraz ze spoiwem klejowym. Przy czym podczas produkcji rdzeń płyty ma większą wilgotność niż warstwy zewnętrzne. Warstwa rdzenia ma optymalną wilgotność około 20%, przy optymalnym zakresie wilgotności rdzenie od 10-30% oraz wilgotności warstw zewnętrznych do 10%, korzystnie 8%. Uzyskana ujawnionym sposobem płyta ma gęstość nie mniejszą niż 641 kg/m³.

Zabieg taki stosowany jest w większości znanych technologii wytwarzania płyt budowlanych i ma na celu przede wszystkim zmniejszenie zużycia surowca w warstwie rdzenia, a w warstwach zewnętrznych ma zwiększyć stopień upakowania przestrzeni. Wióry drzewne rdzenia po ich zwilżeniu do wilgotności technologicznej zwiększają swoją objętość, a następujące później łączenie ich w procesie prasowania ze spoiwem, zwykle także po podgrzaniu formy, powoduje utrwalenie takich powiększonych wymiarów. Niestety utrwalenie wymiarów nie jest zjawiskiem trwałym i zwiększona objętość wiórów z cza

PL 238 989 B1 sem ustępuje, a odparowująca z płyty woda zastępowana jest okresowo wilgocią pozyskiwaną z otoczenia. Tym samym w obrębie tak rdzenia, jak warstw zewnętrznych dochodzi do cyklicznych zmian objętości wiórów i w efekcie degradacji struktury płyty. Wprowadzenie do płyty dodatków zapobiegających chłonięciu wilgoci lub jej oddawaniu znacząco zwiększa masę płyty.

Znane są także płyty, w jakich różnicuje się kierunek ułożenia wiórów, co pozwala zmniejszyć zmiany wymiarów geometrycznych płyt wskutek chłonięcia wilgoci. Metoda ta do technologii płyt OSB zaczerpnięta została ze sposobów wytwarzania sklejki. Płyta i sposób jej wytwarzania, odpowiadające takim warunkom znane są na przykład z opisu CA2039559. Prostopadły układ wiórów poszczególnych warstw jest dosyć problematyczny w procesie produkcji, gdyż ciąg technologiczny znacząco się rozszerza, czego skutkiem, jak wskazują źródła literaturowe, jest wzrost kosztów oraz czasu wytwarzania płyt.

Jak pokazują prowadzone prace badawcze oraz analiza ekonomiczna przepływów surowcowych oraz produktowych większości przedsiębiorstw, wykorzystujących płyty budowlane typu P5 w ostatnich latach bardzo istotnie obniżono gęstość płyt jako takich, poprawiając współczynnik wykorzystania surowca oraz obniżając koszty transportowe (większa liczba płyt transportowanych w tej samej objętości). Można by przypuszczać, że dalsze obniżanie gęstości płyt pociągnie za sobą spadek wytrzymałości oraz odstępstwa od wymagań normatywnych. Nieoczekiwanie okazało się, że dalsza modyfikacja procesu produkcyjnego pozwala na uzyskanie wytrzymałości wymaganej normatywnie i jednoczesne obniżenie gęstości płyt, korzystne dla operacji wytwórczych lub transportowych.

Sposób wytwarzania płyt, zwłaszcza budowlanych o obniżonej gęstości według wynalazku polega na tym, że z wiórów drzewnych o gęstości nasypowej od 150 do 220 kg/m³ wymieszanych ze spoiwem, korzystnie klejem pMDI formuje się co najmniej trzy warstwy o zróżnicowanej grubości tak, że warstwa centralna-rdzeniowa jest co najmniej dwukrotnie grubsza od warstw zewnętrznych, a udział wagowy warstw zewnętrznych korzystnie równy jest wadze warstwy centralnej-rdzeniowej, po czym uformowane wstępnie warstwy wprowadza się do zimnej prasy i tłoczy się płyty utrzymując nacisk nie mniejszy niż 1,2 MPa przez co najmniej 10 s, a następnie wprowadza się do nagrzanej prasy i wywiera nacisk niezbędny do osiągnięcia żądanej grubości (co najmniej 1,5 MPa), ogrzewa przez co najmniej 10 sekund i nie więcej niż 30 sekund przypadających na mm grubości płyty.

Przy czym wilgotność warstwy wiórów tworzących warstwę centralną-rdzeniową wynosi nie więcej niż 8%, a wilgotność warstw zewnętrznych jest większa niż 25%. Udział warstw w płycie wynosi korzystnie 1:2:1 (50%:50%).

Korzystnie, gdy wióry z jakich wytwarza się płytę stanowi mieszanina wiórów kalibrowanych, z jakich co najmniej 92% pozostaje na sicie o oczkach wielkości 1 mm, przy jednoczesnym ich przechodzeniu przez oczka 4 mm, długość wiórów z tego sita jest większa od 5 mm i nie większa niż 20 mm, a smukłość wiórów wynosi między 7 a 50 korzystnie 20-40.

Ilość spoiwa pMDI wynosi korzystnie nie więcej niż 4,5% wagowych, a temperatura płyt grzejnych użytych do prasowania nie przekracza 200°C.

Zastosowanie sposobu według wynalazku pozwala na wytworzenie płyt średnio o gęstości na poziomie 550 kg/m, tj. o gęstości obniżonej nawet o 200 kg/m³ w stosunku do znanych rozwiązań. Podczas produkcji możliwe jest wykorzystanie materiału drzewnego o znacznie większym niż obecnie stosowane stopniu rozdrobnienia, przy jednoczesnym spadku ilości wykorzystywanego materiału drzewnego. Dodatkowo proces produkcyjny wyklucza energochłonny i obecnie stosowany etap suszenia zarówno surowca, jak też wyrobu końcowego. Nieoczekiwanie okazało się, że zastosowanie jednorodnych wiórów w całej objętości kobierca powoduje, że mimo zróżnicowania wilgotności warstw na etapie produkcji, gotowy produkt jest płytą jednowarstwową, jaka może podlegać tradycyjnym operacjom frezowania krawędzi, bez ryzyka wyrywania materiału warstwy środkowej.

P r z y k ł a d wykonania

Sposób wytwarzania płyt, zwłaszcza budowlanych o obniżonej gęstości według wynalazku polega na tym, że z wiórów drzewnych o gęstości nasypowej około 170 kg/m³ wymieszanych ze spoiwem - klejem pMDI formuje się trzy warstwy o zróżnicowanej grubości tak, że warstwa centralna-rdzeniowa jest dwukrotnie grubsza od warstw zewnętrznych, a udział wagowy warstw zewnętrznych równy jest masie warstwy centralnej-rdzeniowej, po czym uformowane wstępnie warstwy wprowadza się do prasy wstępnej i tłoczy się płyty utrzymując nacisk 1,2 MPa a następnie wprowadza się do ogrzanej prasy i utrzymuje pod naciskiem 1,5 MPa potrzebnym do uzyskania założonej grubości przez 20 sekund przypadających na każdy mm grubości płyty.

PL 238 989 Β1

Przy czym wilgotność warstwy wiórów tworzących warstwę centralną - rdzeniową wynosi 8%, a wilgotność warstw zewnętrznych jest większa niż 25%. Udział warstw w płycie wynosi 1:2:1 (50%:50% wag).

Wióry z jakich wytwarza się płytę stanowi mieszanina wiórów kalibrowanych z jakich 92% pozostaje na sicie o oczkach wielkości 1 mm, przy jednoczesnym ich przechodzeniu przez oczka 4 mm. Ilość spoiwa pMDI wynosi 4% wagowych, długość wiórów z tego sita jest większa od 5 mm i nie większa niż 20 mm, a smukłość wiórów wynosi między 7 a 50 korzystnie 20-40, temperatura płyt grzejnych użytych do prasowania nie przekracza 200°C.

Jak pokazały badania prototypu - próbek oznaczonych jako PB1, PB3a, PB4a i PB5a uzyskane parametry nie odbiegają, a często przewyższają parametry laboratoryjnej płyty kontrolnej PB1, spełniającej wymogi normy dla płyt typu P5.

Tab. 1. Charakterystyka procesu wytwarzania płyt o różnej wilgotności warstw

Czynnik	Oznaczenie wariantów
PB1	PB3a	PB4a	PB5a
Gęstość płyty [kg/m³]	650	525
Stopień zaklejenia (%)	4	5
Wilgotność wz (%)	7,9	29,3	7,9
Wilgotność ww (%)	7,9	7,9
Czas prasowania (s)/mm grubości	22	20

Wz - warstwy zewnętrzne

Ww - warstwa wewnętrzna

Użycie do wytworzenia płyt wiórów drobnych, o jednakowej podatności na zagęszczenie, jak ma to miejsce w przypadku płyty PB1, powoduje, że profil gęstości staje się bardziej płaski. Różnica między gęstością max. dla warstw zewnętrznych a min. dla środkowej wynosi tylko 140 kg/m³. Wartości max. w warstwach zewnętrznych uzyskiwane są bardzo blisko warstwy środkowej, a więc dokładnie odwrotnie niż ma to miejsce dla przemysłowej płyty P5. Jest to spowodowane tym, iż wióry drobne, które już z samej swojej natury tworzą dość zwarty kobierzec, napierają na kolejne warstwy stawiając równomierny opór naciskającym je płytom grzejnym. Z kolei użycie wiórów wilgotnych, choć o niewielkich wymiarach liniowych, do formowania warstw zewnętrznych pozwoliło na bardzo znaczne zagęszczenie tych warstw (PB3a). Grubości warstw zewnętrznych są znacznie mniejsze niż w pozostałych przypadkach, a różnica między gęstością max. a min. wynosi aż 340 kg/m³. Obniżenie średniej gęstości płyt powoduje proporcjonalne zmiany w kształtowaniu się gęstości warstw zewnętrznych, jak i warstwy środkowej.

PL 238 989 Β1

Tab. 2. Zestawienie właściwości mechanicznych płyt

Rodzaj płyty	Gęstość	fm	Em	ft	fvioo
N/mm²
EN 312*	-	16	2400	0,45	0,14
	765	21,9	3985	0,64	0,20
PB1	650	17,2	3008	0,74	0,28
PB3a	650	22,6	4190	0,93	0,36
PB4a	525	16,8	3280	0,68	0,29
PB5a	525	11,1	2370	0,44	0,17

wymagane wartości dla P5; ** - płyta odniesienia - przemysłowa

Uzyskane wyniki badań wytrzymałości na zginanie statyczne oraz modułu sprężystości przedstawiono w tabeli 2. Płyta kontrolna (PB1) charakteryzuje się stosunkowo wysoką wytrzymałością na zginanie statyczne, ponad 17 N/mm², oraz modułem sprężystości wynoszącym ponad 3000 N/mm². Znacznie lepszymi właściwościami charakteryzuje się płyta PB3a, w przypadku której do formowania warstw zewnętrznych użyto wiórów wilgotnych. Płyta wytwarzana w ten sposób charakteryzuje się większym, o ponad 38% modułem sprężystości i około 33% wyższą wytrzymałością na zginanie statyczne od płyty odniesienia. W przypadku zmniejszenia gęstości płyty z 650 do 550 kg/m³, z uwagi na fakt, że użyto wiórów wilgotnych w warstwach zewnętrznych, wytrzymałość na zginanie obniżyła się tylko o 3%, a moduł sprężystości pozostał ciągle o około 10% wyższy. W przypadku płyt PB5a, w których wilgotność kobierca wynosi 7,9% obserwuje się zarówno spadek wytrzymałości, jak i modułu sprężystości o blisko 30%. Uzyskane wartości są zatem znacznie niższe niż wymagane do płyt typu P5.

Podobną zależność obserwuje się również w przypadku wyników badań wytrzymałości na rozciąganie prostopadłe do płaszczyzn płyty (tabela 2). Z uwagi na wysoką wilgotność wiórów warstw zewnętrznych następuje szybsze przenoszenie ciepła w głąb kobierca, co umożliwia lepsze sieciowanie kleju wewnątrz wytwarzanej płyty, częściowo rekompensując obniżenie wytrzymałości w wyniku obniżenia gęstości tej warstwy. Z kolei przy tym samym poziomie gęstości płyt, tj. płyty PB1 i PB3a, ta ostatnia charakteryzuje się wytrzymałością o ponad 25% większą od wytrzymałości płyty kontrolnej. Natomiast przesunięcie maksimum gęstości w płycie bliżej warstwy środkowej powoduje, że wytrzymałość na rozciąganie prostopadłe do płaszczyzn płyt typu PB5a jest ciągle bardzo wysoka.

Bardzo wysoką wodoodpornością mierzoną testem /_vioo o charakteryzują się wszystkie badane płyty niezależnie od warunków wytwarzania i przyjętych poziomów gęstości.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania płyt, zwłaszcza budowlanych o obniżonej gęstości w jakim z wiórów drzewnych wymieszanych ze spoiwem, korzystnie klejem pMDI formuje się co najmniej trzy warstwy o zróżnicowanej grubości tak, że warstwa centralna - rdzeniowa jest co najmniej dwukrotnie grubsza od warstw zewnętrznych, a udział wagowy warstw zewnętrznych korzystnie równy jest wadze warstwy centralnej-rdzeniowej, po czym uformowane wstępnie warstwy wprowadza się do zimnej prasy i tłoczy się płyty utrzymując nacisk nie mniejszy niż 1,2 MPa przez co najmniej 10 s, a następnie wprowadza się do nagrzanej prasy i wywiera nacisk co najmniej 1,5 MPa, ogrzewa przez co najmniej 10 sekund i nie więcej niż 30 sekund przypadających na mm grubości płyty znamienny tym, że wióry drzewne mają gęstość nasypową od 150 do 220 kg/m³, wilgotność warstwy wiórów tworzących warstwę centralną-rdzeniową wynosi nie więcej niż 8%, a wilgotność warstw zewnętrznych jest większa niż 25%.

PL 238 989 Β1

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że wióry z jakich wytwarza się płytę stanowi mieszanina wiórów kalibrowanych, z jakich co najmniej 92% pozostaje na sicie o oczkach wielkości 1 mm, przy jednoczesnym ich przechodzeniu przez oczka 4 mm, długość wiórów z tego sita jest większa od 5 mm i nie większa niż 20 mm, a smukłość wiórów wynosi między 7 a 50.

3. Sposób według zastrz. 2 znamienny tym, że smukłość wiórów wynosi długość wiórów 20-40.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3 znamienny tym, że ilość spoiwa pMDI wynosi nie więcej niż 4,5% wagowych, a temperatura płyt grzejnych użytych do prasowania nie przekracza 200°C. Udział warstw w płycie wynosi korzystnie 1:2:1 (505:50%).