Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состава и свойств существующих композиционных материалов на основе древесных отходов 11
1.1 Древесные отходы и их виды 14
1.2 Композиционные материалы на основе древесных отходов с минеральным вяжущим 17
1.3 Композиционные материалы на основе древесных отходов с полимерным вяжущим 20
1.4 Характеристика исходных компонентов 28
1.4.1 Структура и химический состав древесины 28
1.4.2 Физико-механические свойства древесины 30
1.4.3 Свойства полиэтилентерефталата 31
1.4.4 Свойства песка 32
Выводы по главе 33
Глава 2. Теоретическое обоснование состава древесного полимер-песчаного композита 35
2.1 Моделирование испытаний на изгиб 35
2.1.1 Представление в модели древесины, полимера и песка 35
2.1.2 Формирование композита в модели 38
2.1.3 Общая система уравнений и метод ее решения 40
2.1.4 Программная реализация модели 41
2.1.5 Начальные и граничные условия, допущения модели, устойчивость решения 43
2.1.6 Проведение испытаний на изгиб 44
2.1.7 Входные и выходные параметры имитационной модели 46
2.1.8 Определение параметров модели структуры и свойств ДППК по справочным и экспериментальным данным 49
2.2 Моделирование процессов массо- и теплопереноса в композите 50
2.3 Влияние состава и технологии получения древесного полимер-песчаного композита на его свойства 55
2.3.1 Влияние концентрации древесины, полимера и песка на прочностные свойства ДППК 55
2.3.2 Влияние толщины защитного полимер-песчаного покрытия на предел прочности и предельную относительную деформацию при испытании на изгиб 62
2.3.3 Влияние адгезии защитного покрытия к древесному сердечнику на предел прочности и предельную относительную деформацию при испытании на изгиб 64
2.3.4 Влияние состава защитного полимер-песчаного покрытия на предел прочности и предельную относительную деформацию при испытании на изгиб 66
2.3.5 Влияние степени фрагментированности древесины на предел прочности и предельную относительную деформацию при испытании на изгиб 68
2.3.6 Влияние породы древесины на предел прочности и предельную относительную деформацию при испытании на изгиб 70
2.3.7 Влияние угла ориентации волокон на предел прочности и предельную относительную деформацию при испытании на изгиб 72
2.4 Результаты моделирования водопоглощения 74
2.5 Результаты моделирования влагопоглощения 77
2.6 Теплоизоляционные свойства древесины с полимер-песчаным покрытием 79
2.7 Исследование звукоизолирующих свойств древесного полимер-песчаного композита 82
Выводы по главе 86
Глава 3. Методики исследований 88
3.1 Методики исследований древесного полимер-песчаного композита 88
3.1.1 Определение предела прочности при сжатии 88
3.1.2 Определение предела прочности при статическом изгибе 89
3.1.3 Определение ударной вязкости 90
3.1.4 Испытания на износостойкость на машине Табера 91
3.1.5 Определение гигроскопичности материала 92
3.1.6 Методика ИК-спектроскопии 93
3.1.7 Определение коэффициента теплопроводности 94
Выводы по главе 94
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 96
4.1.Обоснование состава древесно-полимерного композита 96
4.1.1 Испытания на статический изгиб 96
4.1.2 Испытания на предел прочности при сжатии 99
4.1.3 Влияние модификации древесного наполнителя на водопоглощение композита 100
4.1.4 Влияние обработки глиоксалем древесного наполнителя на адгезионную прочность соединения полимер-древесина 105
4.1.5 Влияние древесного наполнителя на ударную вязкость ДППК 112
4.1.6 Исследование морфологии поверхности композита 112
4.1.7 ИК-спектроскопия 113
4.1.8 Износостойкость 117
4.2 Сравнительный анализ полученных композиций с аналогами 118
Выводы по главе 119
Глава 5. Технико-экономическое обоснование внедрения технологических основ производства погонажа на основе древесного полимер-песчаного композита 120
5.1 Производство изделий из ДППК 120
5.2 Рекомендации по производству погонажных изделий из древесного полимер-песчаного композита 123
5.3 Экономическое обоснование производства погонажа из древесного полимер-песчаного композита 130
Выводы по главе 134
Основные выводы 135
Библиографический список 138
Приложения 156
Приложение А 157
Приложение Б 161
Приложение В 162
Приложение Г 163
Приложение Д 164
Приложение Е 165
Приложение Ж 166
Приложение З 168
- Композиционные материалы на основе древесных отходов с полимерным вяжущим
- Влияние состава и технологии получения древесного полимер-песчаного композита на его свойства
- Исследование звукоизолирующих свойств древесного полимер-песчаного композита
- Влияние обработки глиоксалем древесного наполнителя на адгезионную прочность соединения полимер-древесина
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время одним из основных направлений развития лесопромышленного комплекса России является рациональное использование древесного сырья на всех стадиях: начиная с заготовки леса и заканчивая использованием отходов деревообрабатывающей промышленности в различных отраслях. Расширение областей использования древесных отходов в качестве заменителя деловой древесины позволяет достичь улучшения экологической обстановки, заключающегося в сохранении окружающей среды и сокращении вырубаемых лесных площадей.
За последние годы накоплен значительный научно-технический потенциал, посвященный комплексному применению отходов из древесного сырья в различных отраслях промышленности. Использование древесных отходов в качестве наполнителя современных материалов позволяет получать древесно-полимерные композиты (ДПК), во многом превосходящие натуральную древесину, заменяя ее на рынке строительных материалов.
Наиболее перспективным направлением развития ДПК является использование в качестве связующего полиэтилентерефталата (ПЭТФ), который может быть получен из бытовых отходов. Что при правильном подходе к организации производства способствует снижению себестоимости конечной продукции и улучшению экологической обстановки.
В поддержку развития производств древесно-полимерных композитов в нашей стране еще в октябре 2013 года Правительством РФ в рамках мер, направленных на развитие строительной индустрии в России, было издано Постановление № 972 «Предоставление субсидий из федерального бюджета на поддержку развития производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них в рамках реализации российскими организациями комплексных инновационных проектов по созданию высокотехнологичной продукции». Согласно этому документу к 2020 году объем производства композитных материалов и изделий в нашей стране в ценностном выражении вырастет с 16,6 млрд до 120 млрд руб., а объем потребления продукции на душу населения достигнет 1,5 кг/год. Кроме того, к 2020 году с 1 до 10 % должна вырасти доля экспорта композитов.
Научные исследования по проблеме осуществлялись в соответствии с распоряжением правительства РФ от 10 мая 2016 г. № 868-р, утверждавшего «Стратегию развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года». В этой стратегии, в частности, указывается, что «в Российской Федерации на лесопромышленных комплексах и деревоперерабатывающих комбинатах ежегодно образуется свыше 35 млн. куб. метров отходов древесины». В рамках этой стратегии нами выполнялась НИР по теме: «Разработка энергоресурсосберегающих и экологически перспективных технологий транспорта леса» (№ госрегистрации 01201168746).
Исходя из вышесказанного, направление исследование является перспективным и актуальным.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка древесно-полимерного композита на основе полиэтилентерефталата, наполненного древесными отходами.
Исходя из поставленной цели работы, определены следующие задачи:
-
Установить закономерности влияния фракционного состава и количественного соотношения древесного наполнителя на физико-механические свойства нового древесного полимер-песчаного композита.
-
Исследовать адгезионные свойства древесного наполнителя с полиэти-лентерефталатом.
-
Разработать имитационные модели структуры и физико-механических свойств древесного полимер-песчаного композита.
-
Разработать технологические основы производства погонажных изделий из древесного полимер-песчаного композита.
Объектом исследования является древесный полимер-песчаный композит.
Предметом исследования являются физико-механические свойства древесного полимер-песчаного композита.
Методологическая база исследований. Планирование экспериментальных исследований, теория вероятности и математической статистики. Теоретические исследования проводили на основе имитационного моделирования и разработанной физико-математической модели процесса пропитки древесины с использованием метода конечных элементов и классической динамики упругого тела. Решение систем дифференциальных уравнений осуществлялось с помощью численного компьютерного интегрирования. Экспериментальные исследования и проверку основных результатов проводили на опытных образцах в лабораторных и производственных условиях.
Научная новизна работы.
1. Установлены закономерности влияния древесного наполнителя на фи
зико-механические свойства нового древесного полимер-песчаного композита,
отличающиеся учетом фракционного состава и количественного соотношения
наполнителя.
-
Исследованы адгезионные свойства древесного наполнителя с поли-этилентерефталатом и предложен способ их улучшения, отличающийся тем, что в состав введен глиоксаль.
-
Разработаны имитационные модели физико-механических характеристик древесного полимер-песчаного композита, отличающиеся учетом фракционного состава и количественного соотношения древесного наполнителя.
-
Разработаны технологические основы производства погонажных изделий из нового древесного полимер-песчаного композита, отличающиеся учетом количественного соотношения компонентов, влажности древесного наполнителя и песка, модификатора наполнителя, технологическими режимами при экструзии и прессовании.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении зависимостей влияния фракционного состава и методики получения ДППК на фи-
зико-механические свойства материала и разработке математических моделей ДППК.
Практическая значимость работы. Разработаны новые древесные полимер-песчаные композиты на основе полиэтилентерефталата, наполненные древесными отходами. Разработаны рекомендации к промышленному производству погонажных изделий из нового древесного полимер-песчаного композита на основе полиэтилентерефталата и древесных отходов. Разработанные композиты, в зависимости от фракционного состава древесного наполнителя, можно получать как экструзией так и прессованием. Улучшена экологическая обстановка.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Научные результаты, полученные при проведении исследований, соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)» и п. 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины» паспорта специальности 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности влияния фракционного состава древесного наполните
ля на свойства нового древесного полимер-песчаного композиционного мате
риала, позволяющие получать композит с заданными свойствами.
-
Модификация древесного наполнителя, повышающая адгезионную прочность в системе связующее – наполнитель.
-
Математические модели структуры и физико-механических свойств древесного полимер-песчаного композита, позволяющие изучить процессы тепло-, массопереноса в материале, а так же зависимости относительной деформации и предела прочности при изгибе от количественного соотношения, фракционного состава и методики получения.
-
Технологические основы производства изделий из нового древесного полимер-песчаного композиционного материала на основе полиэтилентерефта-лата, позволяющие получать погонажные изделия с наполнителем из древесных отходов экструзией или прессованием.
Личный вклад автора. Исследования выполнены при непосредственном участии автора на всех этапах: постановка цели и задач исследования, выбор методики и планирование экспериментов, проведение и анализ экспериментальных исследований, выработка практических рекомендаций по производству погонажных изделий из ДППК, обсуждение результатов, формулирование выводов по сделанной работе. Подготовлены основные публикации по теме исследования.
Степень достоверности. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методик обработки экспериментальных данных и методик испытания физико-механических свойств композитов, совпадением теоретических и экспериментальных иссле-
дований, применением современных способов математического моделирования.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях про-фессорско-преподавательского состава ВГЛТУ им. МГ.Ф. Морозова в 2012-2016 гг., и на следующих конференциях: Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок – прорыв в будущее (Воронеж 2014); II Международная научно-практическая интернет-конференция «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург 2014); 9 Международная научно-практическая конференция «Наука вчера, сегодня, завтра» (Новосиборск 2014); Международная научно-практическая конференция «Новая наука: от идеи к результату» (Стерлитамак 2015); Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные разработки молодых ученых Воронежской области на службу региона» (Воронеж 2015); Международная научно-практическая конференция «Новая наука: история становления, современное состояние, перспективы развития» (Саратов 2016); Всероссийский конкурс молодежных проектов «Молодой инноватор года» (Нижний Новгород 2015).
Достижением соискателя является победа в III конкурсе премий Молодежного правительства Воронежской области по поддержке молодежных программ и проектов 2014 г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 36 работах, включая 1 монографию, 8 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура диссертации. Диссертация включает: введение, пять глав,
основные выводы и рекомендации. Общий объем работы – 169 страница машинописного текста, включая 75 рисунков, 17 таблиц, 8 приложений, список литературы из 159 наименований.
Композиционные материалы на основе древесных отходов с полимерным вяжущим
Длительное время древесно-полимерные композиционные материалы развивались на основе использования в качестве связующих материалов, преимущественно, термореакивных смол. Однако, в начале 90-х годов в большинстве своем в США, начинается освоение древесно-полимерных композитов на основе термопластичных смол (полиолефинов, ПВХ. и др.). Для термопластичных ДПК используется мелкоизмельченная древесина - опилки, древесная мука и др. целлю-лозосодержащие материалы.
Сначала это была экструзия тонких листовых материалов для нужд автомобильной промышленности. Затем было налажено производство экструзионных досок (декинг-продуктов) и др. изделий. Успехи в экструзии стимулировали разработку методов производства изделий методом литья под давлением. В настоящее время опробованы также плоское непрерывное формование (прокатка) и ротационное формование. К 2008 г. производством ДПК занимается более 100 компаний, в т.ч. 3 - в России и одна - на Украине.
Российский рынок изделий из ДПК находится в начале формирования, но уже уверенно растет, о чем говорит активный рост количества производств. Собственное производство на территории России существует всего 3-5 лет, в 2010 году работало 4 завода, в 2011 уже более 15, на сегодня их более 20. В 2011 году было произведено около 9 400 тонн половой доски, рост рынка на данном этапе спрогнозировать сложно. С учетом темпов роста по количеству производителей, объем рынка ДПК-декинга может расти со скоростью 40-50 % ежегодно и достичь 100 тыс. тонн в 2017 году, а к 2020 году превысить 400 тыс. тонн. Некоторые эксперты полагают, что ежегодный прирост рынка ДПК при благоприятной конъюнктуре может составить до 100 %.
C учетом отличных характеристик по износостойкости и инертности к воздействию внешней среды (влажность, свет, насекомые и т.д.) ДПК наиболее популярны для наружной отделки и покрытий (террасная доска, палубный настил, лестницы, сайдинг).
Л.О. Бунина предложила сырьевую смесь [16], состоящую из измельченной древесины и фенолформальдегидной смолы.
Главным недостатком таких материалов является выделение формальдегида. Наиболее значимый вклад в решение этой проблемы внес Е.М. Разиньков [17]. Автор установил, что чем больше содержание свободного формальдегида в смоле, тем сильнее его эмиссия. На снижение эмиссии формальдегида влияет: модификация смол, длительность хранения смол, расход смолы или ее содержание в ДСтП, концентрация и полнота отверждения, температура и продолжительность прессования, режим сушки древесного наполнителя, температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, насыщенность плитами объема воздуха.
А.С. Савицким предложена композиция [18], целью которой является экологически чистый композиционный материал с малым содержанием связующего и улучшенными физико-механическими характеристиками.
Вышеуказанный результат достигается тем, что композит, содержащий древесные опилки и связующее, в качестве полимерной матрицы содержит порошкообразный первичный полиэтилен.
Со слов автора использование данного решения позволит получить следующий технический результат:
– дешевый и доступный строительный материал с большим содержанием древесины; – упростить техпроцесс получения древесно-стружечных плит;
– исключить токсичные связующие и модификаторы;
– обеспечить огромный спектр использования полученного материала: от строительной отрасли, мебельного производства, предметов интерьера до производства бытовых предметов, игрушек и т.п.;
– использовать предложенный композит в качестве декоративного материала;
– использовать материал для внутренней отделки помещений;
– обеспечить получение экологически чистого материала в любых условиях окружающей среды;
– обеспечить предел прочности материала при изгибе не менее 15 МПа.
Недостатками такого материала являются низкие физико-механические показатели.
Материал для прессования плит, описанный В.И. Инютиным и его коллегами, в качестве наполнителя и связующего содержит измельченные древесину и вторичный полиэтилен, при следующем соотношении компонентов: полиэтилен -20 мас.; измельченная древесина - 80 мас. [19].
Основными недостатками таких простых по составу композитов являются относительно невысокий уровень физико-механических свойств, низкая водо- и биостойкость, а также плохая технологичность, ограничивающая технологию переработки композитов в изделия только методами прессования.
С.С. Глазков с коллегами предложил способ повышения трещиностойкости полимерной композиции при вибрационном ударном воздействии и увеличение адгезии связующего к волокнистому наполнителю в условиях циклического изменения температур от -70 до +50 оС [20]. Полимерная композиция, включающая полиэтилен и рубленый волокнистый наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве волокнистого наполнителя она содержит рубленые ткани, выбранные из группы, включающей хлопчатобумажные и льняные ткани, трикотажное, хлопчатобумажное и шерстяное полотна, и дополнительно содержит оксинитрат алюминия, холестериловый эфир каприновой кислоты и толуилендиизоцианат, блокированный касторовым маслом. Для повышения адгезии связующего к волокнистому наполнителю, термо-обработанных изделий при циклическом изменении температур от +50 до -70 С, в композицию вводят холестериловый эфир каприновой кислоты (ТУ 6П-68-72) и толуилендиизоцианат (МРТУ 6-09-4847-67), блокированный касторовым маслом (ГОСТ 6757-73). При этом оптимальным сочетанием свойств обладает композиция, в которую толуилендиизоцианат и касторовое масло введены в соотношении от 1:2 до 2:1. Введение холестерилового эфира каприновой кислоты и толуилен-диизоцианата, блокированного касторовым маслом, выше оптимальной концентрации, снижает прочность композиционного материала, а ниже оптимальной концентрации - уменьшает адгезию связующего к волокнистому наполнителю при циклическом изменении температур от +50 до -70 оС.
Способ изготовления композиционного материала, предложенный Л.К. Семеновой, С.С. Глазковым [21], включающий несколько стадий: фракционирование наполнителя, обработка исследуемой фракции раствором синтетического каучука этиленпропиленового термопластичного (СКЭПТ) в нефрасе с последующей сушкой, совмещение модифицированного древесного наполнителя с полиэтиленом путем предварительного нагревания и смешивания с последующим вальцеванием на вальцах с диаметром валков 180 мм и зазором между ними 1 мм, прессование полученной массы при температуре 130-140 С и давлении 5 МПа в пресс-форме гидравлического пресса марки ПГ-60.
Недостатками данного способа являются относительно невысокие показатели прочности и водостойкости плит, а также технологические и экологические негативные моменты, связанные с определенными требованиями по составу исходных компонентов композиционного связующего.
Способ изготовления плит из композиционного материала [22], который включает фракционирование наполнителя, обработку наполнителя водным раствором сополимера винилциклогексена с малеиновым ангидридом СВМ с последующей сушкой, совмещение модифицированных древесных частиц с термопластичным связующим в виде вторичного полиэтилена путем предварительного нагревания и смешивания с последующим вальцеванием на вальцах с диаметром валков 180 мм и зазором между ними 1 мм, прессование полученной массы при температуре 130-140 С и давлении 5 МПа в пресс-форме гидравлического пресса марки ПГ-60.
Недостатками данного способа получения плит из композиционного материала являются относительно невысокие физико-механические свойства плит и низкая устойчивость к УФ-облучению, что существенно сокращает срок эксплуатации в атмосферных условиях и значительно уменьшает области применения.
Для решения этой задачи в известном способе изготовления ДПК, включающем фракционирование наполнителя, обработку наполнителя раствором СВМ с последующей сушкой, совмещение модифицированного древесного наполнителя с полиэтиленом, предварительно смешав и нагрев массу, и последующим вальцеванием на вальцах с диаметром валков 180 мм и зазором между ними 1 мм, прессование полученной массы при температуре 180-210 С и давлении 5 МПа в пресс-форме гидравлического пресса марки ПГ-60, в ДПК вводят в качестве термопластичного связующего, повышающего физико-механические свойства и устойчивость к УФ-облучению в виде вторичного полиэтилентерефталата (ПЭТФ) вместо части вторичного полиэтилена.
Положительный эффект предлагаемого технического решения, а именно повышение показателей прочности и устойчивости готовых плит к действию УФ-облучения, достигается за счет введения в состав ДПК вместо части вторичного полиэтилена - вторичного полиэтилентерефталата. Последнее позволяет поднять эффективность использования вторичного полиэтилентерефталата в виде всевозможной упаковки, в том числе многочисленные ПЭТ-бутылки, которые заполонили территорию России и до последнего времени не нашли своего квалифицированного применения.
Влияние состава и технологии получения древесного полимер-песчаного композита на его свойства
Состав ДППК может оказывать существенное влияние на его прочностные параметры П и П. Так как одним из аспектов научной новизны в диссертации является наличие песка в составе древесно-полимерного композита, в первую очередь проведено исследование системы полимер-песок. Песок придает композиционному материалу прочность, снижает стоимость, но в то же время придает хрупкость и склонность к фрагментации. Полимер придает композиту связность и гибкость.
При попытке составить в модели образец из чистого песка – он закономерно рассыпается на отдельные элементы – песчинки (рисунок 2.11, а), а при концентрации связующего 100 % – представляет из себя монолитную структуру, обладающую свойствами исходного полимера (рисунок 2.12, д) [78].
Как видно из графика зависимости предела прочности (П) и предельной относительной деформации (П) от концентрации полимера в композите (cПл) (рисунок 2.13, а), при концентрациях полимера от 30 до 40 % происходит резкий рост предела прочности, далее П увеличивается практически линейно. Предельная деформация П, начиная с концентрации полимера сПл = 40 % остается практически постоянной (рисунок 2.13, б). Поэтому соотношение концентраций полимера и песка в ДППК должно быть 40 : 60 или концентрация полимера должна еще больше превышать концентрацию песка.
Оценочные эксперименты показали, что ДППК с концентрацией древесного наполнителя даже 50 % по сравнению с ППК с типичным составом, обладает лучшими прочностными свойствами: более высокими значениями П и П (рисунок 2.14).
Для изучения влияния концентрации древесины сД в составе ДППК проведена серия компьютерных экспериментов, в которой изменяли концентрацию древесного наполнителя сД от 0 до 100 % с шагом 10 % при постоянном соотношении концентраций полимера и песка сПл : сПс = 2 : 1 (рисунок 2.15) [79].
Обнаружено, что наилучшими механическим свойствами материал обладает при концентрации древесины около 60 % (концентрация полимера и песка при этом cПл = 27 %, сПс = 13 %, рисунок 2.15, д). С увеличением концентрации древесины от 0 до 50 % увеличиваются П и П, то есть увеличивается прочность и уменьшается хрупкость материала за счет армирования композита древесными фрагментами и уменьшения концентрации песка, вызывающего хрупкость (рисунок 2.16, интервал сД от 20 до 60 %). Однако дальнейшее увеличение концентрации древесины (от 65 до 100 %) не целесообразно, так как уменьшается содержание полимера, и его становится недостаточно, чтобы надежно окружить древесные фрагменты и обеспечить прочную связь между ними. При этом материал также становится хрупким и приближается по свойствам к слабо склеенным и слежавшимся опилкам (рисунок 2.16, интервал сД от 70 до 80 %).
Кроме того, снижение предела прочности П происходит из-за уменьшения содержания песка, придающего прочность материалу. Таким образом, в качестве базового можно рассматривать состав 60 % Д + 27 % Пл + 13 % Пс.
Необходимо отметить, что данная модификация модели адекватна при концентрациях древесины до 80–90 %, а при больших концентрациях воспроизводит не отдельные, слабо связанные между собой фрагменты древесины, а протяженные связанные участки древесины. В случае сД = 100 % воспроизводится цельный образец древесины с изотропными свойствами. Поэтому для концентрации древесины более 80–90 % необходима была бы доработка модели, однако при высоких концентрациях древесины материал заведомо обладает непривлекательными механическими свойствами и уже не относится к классу ДППК. Задавшись средним значением концентрации древесины сД = 40 %, проведена серия компьютерных экспериментов, в которой изменяли соотношение полимера и песка в материале (рисунок 2.17). Концентрацию полимера изменяли от 30 до 60 %, при этом концентрация песка, соответственно, изменялась от 30 до 0 %. Обнаружено, что при концентрации полимера около 35 % достигается высокая прочность материала (более 35 МПа, рисунок 2.18, а), что по-видимому связано с высокой концентрацией песка (сПс = 25 %).
Кроме того, высокие механические свойства достигаются при увеличении концентрации полимера вплоть до 60 %, и полном исключении песка (П до 46 МПа, П до 0,04, рисунок 2.18). Однако такие концентрации полимера значительно удорожают материал и противоречат самому принципу удешевления композита за счет добавления песка. Поэтому данная серия компьютерных экспериментов позволяет рекомендовать в качестве оптимального состав 40 % Д + 35 % Пл + +25 % Пс.
Таким образом, на основе математической модели структуры древесного полимер-песчаного композита изучено влияние состава на прочностные свойства. ДППК обладает приемлемыми свойствами, если соотношение компонентов находится в диапазоне: 40-60 об. % древесины, 27–35 об. % полимера, 13–25 об. % песка. Исходя из основной концепции данной работы, оптимальным составом является композит с содержанием компонентов: 60 % Д + 27 % Пл + 13 % Пс [78, 80].
Исследование звукоизолирующих свойств древесного полимер-песчаного композита
Полимеры и песок имеют лучшие звукоизолирующие свойства по сравнению с древесиной. Поэтому ДППК должен обладать лучшими звукоизолирующими свойствами, чем чистая древесина той же геометрической конфигурации. Для исследования акустических свойств ДППК была модифицирована компьютерная программа, которая изначально использовалась для испытания образцов на изгиб (рисунок 2.40). На рисунке представлен образец ДППК с защитным полимер-песчаным покрытием.
В образце материала выделяются два слоя: верхний, который играет роль «источника звука» и которому сообщаются звуковые колебания, и нижний, который играет роль «приемника звука», и колебания которого измеряются (рисунок 2.41).
После начала колебаний элементов слоя-«источника звука» в объеме образца распространяются звуковые волны, которые, через некоторое время, вызывают колебания элементов слоя-«приемника звука» (рисунок 2.42).
Для изучения акустических свойств ДППК проведена серия компьютерных экспериментов, в которой изменяли толщину dП полимер-песчаного покрытия образца размерами 100 х 40 мм от 0 до 10 мм с шагом 2 мм. Обнаружено, что с увеличением толщины покрытия существенно возрастает коэффициент звукоизоляции (рисунок 2.43). Так, покрытие толщиной всего 4 мм, повышает звукоизолирующие свойства по сравнению с древесным образцом аналогичного размера без ПП покрытия с 16 до 35 дБ. Таким образом, ДППК обладают, ориентировочно, в два раза лучшими звукоизолирующими свойствами, чем чистая древесина.
Для изучения акустических свойств ДППК на основе отходов деревообрабатывающего производства проведена серия компьютерных экспериментов, в которой изменяли концентрацию древесины cД от 50 до 80 % с шагом 10 %. Обнаружено, что коэффициент звукоизоляции возрастает с уменьшением концентрации древесины (рисунок 2.43). Однако даже композит с содержанием 80 % древесины обладает коэффициентом звукоизоляции 34 дБ, что, более чем в два раза выше, коэффициента звукоизоляции чистой древесины (16 дБ).
Таким образом, ДППК обладает вдвое лучшими звукоизолирующими свойствами, чем чистая древесина.
Влияние обработки глиоксалем древесного наполнителя на адгезионную прочность соединения полимер-древесина
В различных областях техники и промышленности все чаще используются современные композиционные материалы. Их успешная эксплуатация – интенсивное нагружение, передача усилий и более рациональное использование свойств наполнителя возможны только если обеспечивается надежная связь между компонентами, которая достигается только в случае достаточной адгезионной прочности в системе связующее – наполнитель. Поэтому повышение адгезии наполнителя и связующего, интенсификация и направленное регулирование адгезионного взаимодействия имеют важнейшее значение при создании как древесных, так и древесно-полимерных композиционных материалов.
Совместимость химически разных материалов отлично иллюстрируется примером взаимодействия масла и воды: стальная игла, смазанная маслом не будет тонуть; а капельки воды катаются по поверхности масла. На практике не бывает абсолютно гидрофильных или гидрофобных веществ, также как и олеофоб-ных и олеофильных. Всякое вещество обладает меньшей или большей степенью гидрофобности, гидрофильности, олеофобности и олеофильности [112-116].
Адгезия зависит от природы двух поверхностей, свойств контактирующих фаз и площади контакта. Она характеризуется силами межмолекулярного притяжения и усиливается, если при контакте тел образуется донорно–акцепторная связь, если тела электрически заряжены, а также вследствие конденсации (капиллярной) паров. Между молекулами связующего и наполнителя могут возникнуть самые различные силы, начиная силами химической природы и заканчивая наиболее слабыми дисперсионными [112-113]. Таким образом, действие сил химического взаимодействия или межмолекулярных сил являются причиной возникновения адгезионной связи.
Главную роль в адгезии играет химическая природа связующего и наполнителя, то есть количество и тип функциональных групп на поверхности связующего и наполнителя, их способность взаимодействовать друг с другом.
Охарактеризовать прочность адгезионного соединения можно прочностными показатели, например, сопротивление разрыву и раздиру, предел прочности при растяжении и изгибе, скалывании и т. д.
Закономерности разрушения и образования адгезионных соединений описываются на основе теорий – термодинамической и молекулярной (адсорбционной). В рамках первого – энергетические характеристики (поверхностные энергии адгезива и субстрата, межфазной границы); в рамках второго подхода рассматриваются когезионные свойства адгезивов и субстратов (прочность и обуславливающие ее параметры: вязкость адгезива, а также условия их контакта (температура, давление и продолжительность контакта) [114].
Химия предлагает разрешить проблему адгезии синтетических полимеров и древесины огромным количеством способов, включая модификацию частиц древесины (механохимическую, химическую, термомеханическую, плазменную и даже радиационную обработку) или (и) смолы. Но модификация основного сырья требует определенных усилий и затрат, а такие затраты могут быть сопоставимы с затратами на все остальное производство древесно-полимерных композитов. Исследования в этом направлении довольно обширны, т.к. имеют хорошую перспективу повышения свойств композита.
Увеличение площади контакта между наполнителем и связующим приводит к увеличению адгезии независимо от того, какими силами обусловлена связь между фазами [115-120]. На площадь контакта оказывают влияние следующие факторы: способность связующего заполнять неровности твердой поверхности, вытесняя при этом воздух, смачивание. Находящиеся в глубоких порах и бороздках поверхности образца многочисленные пузырьки воздуха, препятствуют достижению максимально возможного контакта [121]. Морфология поверхности субстрата, ее микрорельеф, топография и чистота являются важными факторами, влияющими на площадь контакта и на адгезию в итоге.
Микрорельеф и шероховатость твердой поверхности, обусловленные особенностями внутренней структуры, можно условно назвать атомно-молекулярными или первичными. Также, шероховатость может быть механической, имеются ввиду многочисленные дефекты (поры, трещины, капилляры), появляющиеся в результате процессов старения, структурообразования и т. д. [112-121]. К этой группе относится и искусственный микрорельеф, создаваемый различными способами.
Любая система связующее - наполнитель характеризуется не только величиной адгезии, но и типом нарушения связи между компонентами, т. е. характером разрушения. Вопрос о характере разрушения имеет не только теоретический, но и большой практический интерес [121-123]. Только зная слабые звенья системы, можно искать пути повышения ее работоспособности. Общепринятым является следующая классификация видов разрушений: адгезионное (связующее отделяется от наполнителя), когезионное (разрыв происходит по массиву связующего или наполнителя), смешанное (происходит частичное отделение связующего от наполнителя, частичное разрушение наполнителя и частичное разрушение связующего). На рисунке 4.8 представлено испытание на скалывание соединения полимер-древесина, а в таблице 4.3 - усредненные данные результатов испытаний. Количество образцов в серии – 7 шт.
На рисунках 4.9 и 4.10 представлены гистограммы результатов испытаний на скалывание соединения древесина-ППКМ (сосна, дуб и береза) вдоль и поперек волокон соответственно.
Из гистограмм видно, что адгезия древесины к полиэтилентерефталату неудовлетворительная. Лучшими показателями адгезии древесина-полимер при скалывании вдоль и поперек волокон обладают, соответственно, сосна и дуб. Так же стоит обратить внимание на адгезионный характер разрушения.
Для того чтобы оценить полученные результаты сравним их с аналогичными испытаниями древесины. В таблице 4.4 представлены результаты испытаний на скалывание вдоль волокон древесины и соединения полимер-древесина. Количество образцов в серии – 7 шт.
Анализируя данные таблицы 4.4 можно сделать вывод о недостаточной адгезионной прочности соединения полимер-древесина.
Для улучшения адгезионной прочности принято решение модифицировать наполнитель. В качестве модификатора использовался сорокапроцентный раствор глиоксаля. Помимо гидрофобизирующих свойств [98] глиоксаль способен улучшать адгезию разнородных материалов.
Для следующего испытания были подготовлены образцы, аналогичные ранее описанным, с одной лишь разницей – древесина предварительно пропитана 40 % раствором глиоксаля (рисунок 4.11, 4.12). Количество образцов в серии – 7 шт.
На рисунках 4.11 и 4.12 представлены гистограммы результатов испытаний соединения полимер-древесина на скалывание вдоль и поперек волокон соответственно, после пропитки древесного наполнителя глиоксалем. Из гистограмм видно, что показатели адгезии существенно возросли. Для численного сравнения повышения адгезионной прочности необходимо обратить внимание на таблицу 4.5.