Введение к работе
В Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года отмечается, что приоритетным направлением является «….развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины».
Актуальность темы. В настоящее время проблема качественного использования самой древесины, а также отходов деревопереработки приобретает несомненную актуальность, как в России, так и в мире. Поэтому разработка ресурсосберегающих технологий по модификации свойств древесины с целью ее дальнейшего использования в композиционных материалах является актуальной задачей.
Известно, что древесный наполнитель, наряду с присущими ему ценными свойствами (малая средняя плотность, легкость обработки, дешевизна и др.) имеет и отрицательные качества, которые затрудняют получение на его основе высокопрочного композиционного материала: повышенная химическая агрессивность; значительные объемно-влажностные деформации и развитие давления набухания; низкая адгезия по отношению к связующему; значительная упругость при уплотнении смеси. Традиционные методы механической модификации древесины, применяемые в производстве композитов практически исчерпали свои возможности. Использование известных химических методов деструкции древесины не позволяет эффективно использовать большую ее часть, и являются экологически неоправданными.
В то же время анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что в последние годы всё большую популярность находят процессы термомодифицирования древесины, поскольку позволяют значительно повысить ее качественные характеристики без использования химических средств защиты. Однако исследований, касающихся использования термомодифицирования древесины в композиционных материалах пока проведено не было.
Также в последние годы активно ведутся исследования в области высокочастотной плазменной обработки различных материалов, в том числе и древесины. Однако пока нет исчерпывающих данных о возможности использования данного вида обработки при производстве древесно-наполненных композитов.
В связи с этим работа, направленная на решение задачи создания новых или усовершенствования существующих технологий производства древесно-наполненных композитов является актуальной.
Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете при поддержке гранта в номинации МИП по теме «Исследование влияния свойств древесины на процесс контактного термомодифицирования с целью получения строительного материала с заданными свойствами» 2008-2009 гг и при поддержке гранта в номинации СТАРТ 10 по теме «Разработка технологии и опытной установки вакуум-контактного термомодифицирования древесных материалов» 2010-2011 гг.
Цель работы состоит в разработке ресурсосберегающих технологий производства древесно-наполненных композитов на основе минеральных вяжущих путем модификации структуры и состава древесного наполнителя физико-химическими методами.
В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
1. Анализ существующих способов модификации древесного наполнителя, а также обзор современного состояния композиционных материалов на основе древесины.
2. Экспериментальная оценка воздействия высокочастотной плазмы пониженного давления, а также высокой температуры без доступа кислорода воздуха на физические свойства, химический состав и структуру древесного наполнителя.
3. Разработка математической модели, позволяющей прогнозировать прочностные свойства композиционного материала на основе древесных частиц и минерального вяжущего в зависимости от рецептуры, а также режимов обработки древесного сырья.
4. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологических процессов производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей, обеспечивающих повышение экономической эффективности производства, вследствие улучшения физико-механических характеристик продукции и возможности придания композитам специальных свойств.
Научная новизна.
Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на модификацию древесины с целью получения качественного композиционного материала на его основе:
1. Исследованы процессы смачивания, адгезии и поверхностные явления применительно к производству композиционных материалов на основе древесных наполнителей, подвергнутых высокочастотной плазменной обработке пониженного давления и термической обработке без доступа кислорода воздуха, в результате чего разработаны режимные параметры соответствующей обработки древесных частиц с целью повышения их смачивающейся способности и адгезионных свойств.
2. На основании результатов исследования влияния высокочастотной плазмы пониженного давления на древесину впервые показана возможность использования данного вида обработки для комплексного улучшения технологических характеристик древесного сырья при производстве композиционных материалов за счет модификации микро- и наноструктуры тела. Установлено, что вследствие обработки ВЧ разрядом пониженного давления, древесина приобретает новые сочетания свойств без изменения химического состава: в результате увеличения размеров пор повышается смачиваемость древесного наполнителя более чем на 50%, что приводит к улучшению адгезионных свойств древесины и повышению прочности древесно-цементных композиционных материалов, эксплуатируемых в условиях невысокой влажности.
3. По результатам исследований влияния высокотемпературной обработки древесного сырья без доступа кислорода воздуха доказана целесообразность использования данного вида обработки в производстве древесно-цементных композиционных материалов с целью повышения их эксплуатационных характеристик: установлено, что предварительная высокотемпературная обработка существенно снижает содержание «цементных ядов» в древесине, уменьшает гигроскопичность и развитие давления набухания и, как следствие, позволяет создать композиционный материал, устойчивый к эксплуатации в условиях высокой влажности.
4. Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать предел прочности на сжатие арболита в зависимости от соотношения компонентов в смеси, режимов обработки древесного наполнителя, а также условий эксплуатации готовой продукции.
5. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований разработаны технические и технологические рекомендации по совершенствованию технологических процессов производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и минеральных вяжущих. Рекомендованы рациональные технологические режимы обработки древесного наполнителя. Разработан способ изготовления арболита. Новизна способа подтверждена патентом РФ.
Практическая ценность заключается в разработке ресурсосберегающей технологии производства древесно-наполненных композиционных материалов, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками: предел прочности арболита на сжатие увеличился более чем на 80%, создан арболит для эксплуатации во влажных условиях.
Разработаны экспериментальные установки и методики исследований высокотемпературной обработки древесного наполнителя без доступа кислорода воздуха.
Разработаны способ и конструкция установки для термической модификации древесных частиц в промышленных масштабах.
Реализация работы. Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на предприятии ООО «НПП «Термотехнологии». Усовершенствование технологии производства арболита на данном предприятии позволило получить годовой экономический эффект свыше 1,5 млн. руб.
Теоретические положения производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и методики экспериментальных исследований, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология композиционных материалов» и «Основы строительного дела».
Автор защищает:
1. Результаты влияния ВЧ плазмы пониженного давления и высокотемпературной обработки без доступа кислорода воздуха на показатели древесного наполнителя, обеспечивающие улучшение основных эксплутационных и потребительских характеристик древесных композиционных материалов.
2. Математическую модель расчета предела прочности арболита на сжатие в зависимости от соотношения компонентов в смеси, параметров плазменной или термической обработки древесного наполнителя, а также в зависимости от влажностных условий эксплуатации готовой продукции.
3. Технологию изготовления композиционного материала из модифицированного древесного сырья, рациональные технологические режимы обработки древесного наполнителя, а также результаты промышленных испытаний.
4. Способ и конструкцию установки термической модификации древесных частиц и результаты исследования эффективности выполненных разработок.
Личный вклад автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора разработаны лабораторные установки, обоснованы методики экспериментов, выполнены опыты, проанализированы и обобщены полученные результаты, разработаны технологические процессы с применением высокочастотной плазмы пониженного давления и термической модификации древесного наполнителя, а также проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях по технологическим процессам КГТУ (Казань) и на международных конференциях «Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века» (Брянск), «Композиционные материалы на основе древесины» (Москва), «Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве» (Казань), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда), «Биоэнергетика и биотехнологии – эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки» (Москва), «ММТТ-23» (Саратов), «Будущее машиностроения России» (Москва).
Технология термической модификации древесины удостоена серебряной медали на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2010 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и патент РФ № 2345886 на способ изготовления изделий из композиционных материалов, преимущественно арболита.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание изложено на 150 страницах машинописного текста.
