Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 14
1.1 Некоторые сведения о рентгеновском излучении и основные требования, предъявляемые к защитным материалам 14
1.2 Защитные материалы, применяемые в настоящее время для ослабления рентгеновского излучения 18
1.2.1 Материалы на основе свинца 18
1.2.2 Материалы, не содержащие свинец 19
1.3 Композиционные материалы на основе древесины 21
1.4 Теоретические основы ослабления рентгеновского излучения защитными материалами 23
1.4.1 Ослабление рентгеновских лучей однородными (монолитными) материалами 23
1.4.2 Ослабление рентгеновских лучей древесиной 30
1.5 Особенности структуры и рельефа поверхности лущеного березового шпона 33
1.6 Легкоплавкие сплавы.. 35
1.6.1 Общая характеристика висмутовых сплавов 36
1.6.2 Механизм кристаллизации легкоплавких сплавов 38
1.7 Теоретические вопросы взаимодействия сплавов с древесиной 41
1.8 Результаты поисковых работ по разработке слоистого материала специального назначения 44
1.9 Основные выводы, цель и задачи исследований 45
2. Теоретические предпосылки создания слоистого материала специального назначения 49
2.1 Определение характеристик микрогеометрии поверхности лущеного шпона 49
2.2 Определение толщины слоя фольги из сплава ВУДа, обеспечивающий достаточные защитные и прочностные свойства конструкции слоистого материала специального назначения 63
2.2.1 Определение величины зазора между листами шпона в процессе их контакта 63
2.2.2 Определение условной пористости древесины шпона 67
2.2.3 Определение минимальной толщины фольги из сплава ВУДа, необходимой для создания конструкции слоистого материа ла специального назначения и распределение ее в клеевом
слое 71
2.3 Выводы по главе 75
3. Методическое обеспечение проведения исследований 77
3.1 Задачи исследований 77
3.2 Исходные материалы и их характеристика 78
3.2.1 Шпон березовый лущеный 78
3.2.2 Применяемые виды связующего .'. 78
3.3 Экспериментальное оборудование и измерительная аппаратура 79
3.4 Создание конструкции слоистого материала специального назначения 82
3.5 Методика проведения опытов 82
3.5.1 Определение краевого угла смачивания сплава 83
3.5.2 Исследование распределения слоя сплава по толщине слоистого материала специального назначения 84
3.5.3 Исследование влияния режимных параметров создания слоистого материала специального назначения на физико -механические свойства 85
3.5.3.1 Определение предела прочности при скалывании по клеевому слою слоистого материала специального назначения 86
3.5.3.2 Определение предела прочности при статическом изгибе вдоль наружных слоев слоистого материала специального назначения 87
3.5.3.3 Определение предела прочности при растяжении вдоль волокон слоистого материала специального назначения 88
3.5.4 Исследование влияния режимных параметров создания слоистого материала специального назначения на величину защитных свойств 90
3.6 Методика оценки опытных данных и планирования эксперимента... 104
4. Исследование процесса взаимодействия сплава с поверхностью шпона 109
4.1 Исследование влияния шероховатости поверхности шпона на смачивающую способность расславленного сплава 109
4.2 Исследование распределения слоя сплава по толщине пакета слоистого материала специального назначения 111
5. Исследование слоистого материала специального назначения, изготовленного с применением в качестве связующего легкоплавкого сплава вуда ... 118
5.1 Постановка задачи 118
5.2 Планирование эксперимента 118
5.3 Результаты исследований и из анализ 121
5.3.1 Влияние режимных параметров создания слоистого материала специального назначения на величину предела прочности при скалывании по клеевому слою , 121
5.3.2 Влияние режимных параметров создания слоистого материала специального назначения на величину предела прочности при статическом изгибе вдоль наружных слоев ' 124
5.3.3 Влияние режимных параметров создания слоистого материала специального назначения на величину предела прочности при растяжении вдоль волокон 126
5.3.4 Анализ полученных результатов исследований слоистого материала специального назначения на прочностные
свойства 128
5.3.5 Влияние режимных параметров создания слоистого
материала специального назначения на величину защитных
свойств 130
5.4 Определение рациональных значений параметров создания слоистого материала специального назначения 133
5.5 Выводы 135
6. Исследование влияния толщины слоистого материала специального назначения на защитные свойства 137
6.1 Постановка задачи , 137
6.2 Исследование влияния толщины фольги из сплава ВУДа на
величину ее защитных свойств 137
6.3 Исследование влияния толщины слоистого материала
специального назначения на величину его защитных
свойств 138
6.4 Исследование влияния наращивания слоя слоистого материала
специального назначения на величину его защитных свойств... 139
6.5 Выводы по главе 142
7. Исследование слоистого материала специального назначения, изготовленного с применением в качестве связующего контактного клея 143
7.1 Постановка задачи 143
7.2 Планирование эксперимента 144
7.3 Результаты исследований и их анализ . 147
7.3.1 Влияние режимных параметров создания слоистого материала специального назначения на величину предела прочности при скалывании по клеевому слою 147
7.3.2 Влияние режимных параметров создания слоистого материала слоистого материала специального назначения на величину предела прочности при статическом изгибе вдоль наружных слоев 153
7.3.3 Влияние режимных параметров создания слоистого материала специального назначения на величину предела прочности при растяжении вдоль волокон 157
7.3.4 Анализ полученных результатов исследований слоистого материала специального назначения на прочностные
свойства 161
7.3.5 Влияние режимных параметров создания слоистого материала специального назначения на величину защитных свойств 164
7.4 Определение рациональных значений параметров создания слоистого материала специального назначения 169
7.5 Выводы 171
8. Экономическое обоснование эффективности производства и реализации слоистого материала специального назначения 174
8.1 Расчет инвестиций в проект 174
8.2 Определение текущих расходов 175
8.3 Определение финансовых результатов от реализации продукции... 177
8.4 Оценка экономической эффективности инвестиционного проекта... 178
Общие выводы и рекомендации 181
Литература
- Защитные материалы, применяемые в настоящее время для ослабления рентгеновского излучения
- Определение толщины слоя фольги из сплава ВУДа, обеспечивающий достаточные защитные и прочностные свойства конструкции слоистого материала специального назначения
- Экспериментальное оборудование и измерительная аппаратура
- Исследование распределения слоя сплава по толщине пакета слоистого материала специального назначения
Введение к работе
Актуальность темы. Ионизирующее излучение является вредным и опасным для здоровья и жизни живых организмов. Поэтому в местах использования этого вида электромагнитного излучения предусматривается использование соответствующей защиты.
Общепринятой защитой являются материалы на основе свинца, но в последнее время остро встал вопрос о замене этих материалов другими, более безопасными в эксплуатации.
Отечественный рынок предлагает широкую гамму разнообразных материалов для защиты от ионизирую ще го излучения (в частности, рентгеновского), среди которых строительные и конструкционные материалы содержащие и не содержащие свинец, а также черные и цнетные материалы (железо, чугун, сталь, кадмий, вольфрам и т.д.).
Наиболее широкое применение при оформлении рентгеновских кабинетов получили такие материалы, как просвинцованная резина и материалы на основе природного барита (баритовая штукатурка). Однако, предлагаемые материалы обладают рядом недостатков. Просвинцованная резина имеет ограниченную область применения в связи с неудобством ее крепления на плоскостях и эластичности самого материала; это сравнительно дорогой и недолговечный материал. Баритовая штукатурка — более дешевый материал, но на формирование защитного слоя из нее (толщиной около 30 мм) требуются большие трудозатраты, и дополнительные материалы для придания интерьеру элегантного внешнего вида по цвету, дизайну и удобству в эксплуатации.
Поисковые исследования позволяют сделать вывод о том, что в последнее десятилетие велась работа над созданием новых конструкционных материалов, способных выполнять роль защиты от рентгеновского излучения, в которых в качестве несущей основы и защитного слоя выступают разнообразные материалы.
$
Древесина лиственных пород, благодаря пористому строению, может использоваться в качестве основы в подобных конструкциях.
Создание слоистых материалов из шпона с включением в их конструкцию разных материалов (листов фольги из различных металлов, полиэтилена, стекла, армирующих сеток и др.) позволяют получать материалы на основе древесины с новыми заранее задаваемыми свойствами и тем самым расширить область применения древесины.
Таким образом, поисковые работы и лабораторные исследования позволяют сделать вывод о целесообразности разработки конструкции слоистого материала на основе древесины, которая могла бы использоваться в качестве защитного, конструкционного и отделочного материала в местах применения рентгеновского излучения, являясь актуальной задачей и вызывая интерес в плане теоретических и экспериментальных исследований.
Цель работы. Разработка конструкции и технологии изготовления слоистого материала на основе древесины с защитными свойствами от рентгеновского излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
раскрыть особенности анатомической структуры древесины и дефектов ее обработки, дать описание реальной поверхности лущеного березового шпона с применением математических методов;
исследовать процесс формирования контакта связующего (сплава ВУДа) с поверхностью шпона и распределения его в клеевом слое в зависимости от качества подготовки поверхности; определить объем зазора при контакте листов шпона и количество связующего, необходимого для изготовления слоистого материала специального назначения на основе математической модели поверхности лущеного березового шпона;
основываясь на законах ослабления рентгеновского излучения теоретически рассчитать толщину защитного слоя слоистого материала специального назначения;
установить рациональные параметры создания конструкции слоистого материала специального назначения;
определить технико-экономическую эффективность разработанных мероприятий, по результатам их внедрения в условиях промышленного производства.
Научные положения, выносимые на защиту.
Необходимая толщина «клеевой» прослойки, с целью обеспечения защитных свойств, достигается не только тщательной подготовкой соединяемых поверхностей шпона и величиной внешнего давления, но и толщиной слоеного пакета задаваемого величиной упрессовки. Это позволяет фольге из сплава придать текучесть, перераспределиться в клеевом слое и обеспечить равномерную заданную толщину «клеевой» прослойки и необходимое проникновение сплава на полезную глубину для обеспечения прочностных характеристик.
Роль механической адгезии в клеевых соединениях значима, а в данном случае, при соединении разнородных по физико-химическому составу материалов является определяющей, поскольку прочность обеспечивается «якорным зацеплением» разветвленной системы, проникшего в слои шпона связующего - сплава, в период предшествующий его отверждению.
Формирование «клеевой» прослойки между склеиваемыми материалами и образование адгсзионно-когезионных связей —сложный процесс, каждую стадию которого необходимо регулировать, для получения требуемого качества слоистого материала специального назначения. Для этого важно знать не только полноту отверждения, но и характер, нарастание и степень кристаллизации сплава, по которым можно судить о физико-механических свойствах слоистого материала.
//
Новизна исследований и научных результатов.
Получены математические модели, реально описывающие поверхность лущеного шпона. На основании выбранной модели и рассчитанной теоретическим путем толщины защитного слоя фольги из сплава ВУДа получена зависимость распределения связующего (сплава ВУДа) по толщине шпона от структуры и качества поверхности шпона при создании конструкции слоистого материала специального назначения.
Предложена методика оценки распределения сплава в клеевом слое слоистого материала специального назначения на основе древесины.
Выбраны и обоснованы критерии эффективности процесса формирования конструкции слоистого материала специального назначения (двух конструкций), получены модели, связывающие их с управляющими факторами. Применение этих моделей позволяет установить рациональные технологические параметры получения слоистого материала, обладающего защитными свойствами от рентгеновского излучения.
Разработана конструкция слоистого материала, с применением в качестве связующего легкоплавкого сплава, обладающая защитными и декоративными свойствами (авторское свидетельство на полезную модель №10638 от
16 августа 1999 г).
Обоснованность выводов и рекомендаций. Достоверность предложений и выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Выводы теоретического плана базировались на результатах математического анализа существа проблемы. Полученные в результате теоретических исследований зависимости согласуются с положениями таких основополагающих наук, как математическое моделирование и физико-математические процессы.
Результаты экспериментальных исследований контролировали по характеру зависимостей, полученных в результате обработки экспериментальных данных.
Результаты экспериментальных исследований контролировали по характеру зависимостей, полученных в результате обработки экспериментальных данных.
Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, а их адекватность подтверждается в соответствии с общепринятыми методиками.
Значимость результатов исследований для науки и практики. В диссертации приведены теоретические исследования закономерности формирования контакта связующего, в качестве которого использован легкоплавкий сплав ВУДа, с поверхностью лущеного березового шпона и распределения его в клеевом слое. Определено необходимое количество связующего для изготовления слоистого материала специального назначения на основе математической модели поверхности лущеного шпона, которое позволяет обеспечить достаточные прочностные и защитные свойства разработанной конструкции.
Разработаны рациональные технологические режимы создания слоистого материала специального назначения двух конструкций.
Применение предложенной конструкции слоистого материала специального назначения позволяет расширить ассортимент современных материалов, способных выполнять защитную роль от рентгеновского излучения, а также сократить время и затраты на оформление интерьеров, где применяется данный вид излучения, т.к. разработанный материал обладает высокими конструкционными, эксплуатационными и декоративными свойствами.
Место проведения. Работа выполнена на кафедре Механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета (г. Екатеринбург).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на межобластном семинаре рентгенологов, г. Екатеринбург, 1995г., на научно-практической конференции ученых и специалистов химико-лесного комплекса,
г. Екатеринбург, 1997г., научно-технической конференции студентов и аспирантов УГЛТА, г. Екатеринбург, 2001г.
В конкурсе на лучший экспонат в рамках международной выставки-ярмарки «Архитектура. Строительство», «Лес. Деревообработка», г. Новокузнецк, 1998г., отмечен высокий уровень разработанной конструкции и технологии изготовления защитного слоистого материала.
За разработку конструкции слоистого материала специального назначения были получены дипломы в рамках выставки «Здравоохранение России-99», «Аптека-99», г, Екатеринбург, 1999г., II международной выставки технических средств обороны и защиты, г. Нижний Тагил, 2001г.
На конструкцию слоистого материала специального назначения с применением в качестве связующего сплава разработаны технические условия (ТУ 5540-001-02069243-00).
Результаты исследований апробированы на ООО «Этюд-Урал» (г. Екатеринбург), на ООО «Уральская мебель» (г. Екатеринбург), в Свердловском областном госпитале ветеранов войн (г. Екатеринбург).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 5 научных работах.
Объем диссертации и ее структура. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, общих выводов, списка литературы, содержащего 88 наименований и приложения. Основной текст диссертации изложен на 190 страницах машинописного текста, включая 48 рисунков и 35 таблиц.
Защитные материалы, применяемые в настоящее время для ослабления рентгеновского излучения
Защитные материалы этой группы можно разделить на монолитные и композиционные. Среди монолитных материалов наиболее широкое применение получили: - черные металлы. К этой категории относятся: железо (плотностью 7,86 г/см3), низколегированная сталь (плотностью от 7,5 до 7,9 г/см3) и сталь (плотностью 10 г/см ). Эти материалы хорошо в себе сочетают конструкционные и защитные свойства. Применяются для устройства внешних слоев в установках для хранения радиоактивных препаратов, для устройства защиты проемов дверей, пола. Недостаток - большой удельный вес (примерно на 30 % тяжелее свинца). - цветные металлы. Наибольшее распространение для защиты от рентгеновского излучения получили: кадмий, вольфрам, алюминий.
Кадмий - редкий природный материал, обладающий большой поглощающей способностью. Кадмий не обладает достаточно хорошими механическими свойствами, поэтому его чаще применяют в виде сплава со свинцом.
Вольфрам -трудно обрабатываемый материал, плотностью от 17 до 19 г/см3. В изделиях применяется в виде порошка, пропитанного медью и спеченного при высокой температуре. Вольфрам рационально применять при защите от излучения высокой энергии.
Алюминий - применяется в виде борали. Бораль — материал, состоящий из листов алюминия, между которыми засыпается порошкообразная смесь, состоящая из карбида бора и алюминия, а затем вся эта масса прокатывается в горячем состоянии. Материал обладает высокой механической прочностью (до температуры 800 С). - редкоземельные металлы. Применяются для создания листовых защитных материалов. Обладают высокой поглощающей способностью, небольшим удельным весом; материалы на их основе удобны в эксплуатации, нетоксичны и долговечны. Недостатком является их высокая стоимость. - бетон. Применяется для изготовления стен в виде железобетона, в состав которого входят портландский цемент, песок и гравий. Нельзя рекомендовать в качестве защиты другие материалы из бетона, вследствии их незначительной способности поглощать рентгеновское излучение (шлакобетон, фибролит, пенобетон, гипсолитовые плиты). - барит (тяжелый шпат). Природный материал, обладающий большой поглощающей способностью. Применяется в виде баритобетона или баритовой штукатурки для защитных ограждений. Материал относительно дешевый, но для его использования требуются большие трудозатраты.
Композиционные материалы, применяемые для защиты от рентгеновского излучения, можно разделить на три группы:
1. Материалы, в которых в качестве наполнителя применяют отходы оптического стекла, а связующим является: - в строительных материалах - бетон, гипсосодержащие отходы, полиэтилен, нефтяной битум, асфальтобетон, цемент, известь; - в композиционных материалах - жидкое стекло, эпоксидные олигоме-ры (используются для получения пленочного покрытия);
2. Материалы, в которых в качестве наполнителя используются редкоземельные элементы, оксиды висмута, оксиды магния, нитрат бора, лантаноиды, металлы с атомным номером от 50 до 92. В качестве связующего, в подобных конструкциях, рекомендуется использовать широкий спектр различных материалов: цинк, олово, сурьма, теллур, цезий, барий, вольфрам, рений, висмут и др.;
3. Материалы особой конструкции, такие как защитный блок с выступами на поверхности в виде многогранников, с различными зонами по толщине слоя материала, термически стойкие со специальной термообработкой (высокотемпературный синтез).
На основании литературных исследований можно сделать вывод о том, что в последнее десятилетие работа велась над созданием новых материалов, способных выполнять защитную роль от рентгеновского излучения в области создания композиционных материалов, в конструкциях которых в качестве несущей основы и защитного слоя выступают разнообразные материалы.
Древесина лиственных пород, благодаря пористому строению тоже может использоваться в качестве несущей основы в подобных материалах. Рассмотрим некоторые известные способы модификации древесины лиственных пород и фанеры на основе лиственного шпона различными материалами.
Определение толщины слоя фольги из сплава ВУДа, обеспечивающий достаточные защитные и прочностные свойства конструкции слоистого материала специального назначения
Изменение объема и толщины зазора от характеристики микрогеометрии поверхности лущеного шпона представлены на рис.2.9.
Из графика видно, что шероховатость поверхности влияет на контакт склеивания листов шпона, уменьшение величины неровностей шпона способствует большему сближению склеиваемых поверхностей, уменыпая толщину и объем зазора между ними. Это справедливо для более ровных и гладких поверхностей.
Зная объем зазора можно определить объем связующего, необходимого для заполнения в процессе склеивания листов шпона, но при этом надо помнить о том, что часть связующего (фольги из сплава ВУДа) расходуется на проникновение в поры за счет чего образуется прочная механическая связь. Следова тельно, необходимо знать объем, занятый структурными элементами древесины.
Ранее отмечалось, что дрепесина имеет пористо-сосудистое строение. Поэтому на степень проникновения связующего в шпон, помимо шероховатости поверхности и дефектов обработки, существенное влияние оказывает наличие в нем полостей сравнительно большого размера (сосуды, сердцевинные лучи и т.д.).
Пористость древесины в абсолютно сухом состоянии [54] может быть определена так: п0=(\-р0/р)-\00 = 100-65у07 (2.39) где щ - пористость древесины в абсолютно сухом состоянии, %; PQ - плотность древесины в абсолютно сухом состоянии, г/см ; р - относительная плотность древесного вещества, равная 1,54 г/см ; /о - плотность древесины в абсолютно сухом состоянии, г/см3.
Практически, древесина всегда содержит какое-то количество влаги, которое, естественно, снижает пористость за счет набухания. В этой связи, определяют условную пористость древесины: „w=10ofi7--?—% -Y (2.40) где nw — условная пористость древесины при влажности w, %; Go- масса образца древесины в абсолютно сухом состоянии, г; Gw- масса образца древесины при влажности w, г; ра - плотность среды, заполняющей поры древесины, г/см , для воды равна 1;
Определить минимальную толщину фольги из спава ВУДа, необходимую для создания конструкции слоистого материала специального назначения можно путем расчета расхода связующего.
Для обеспечения прочного клеевого соединения необходимое количество связующего расходуется на [27]: а) заполнение неровностей поверхностей шпона, Q\\ б) капиллярное всасывание связующего в граничные слои, Q2 , в) создание сплошного «клеевого» слоя минимальной толщины, Q$. Общий расход связующего (сплава), можно определить как сумму: Qoc Qi+Qi+Qi. (2.46) 1. Количество связующего (сплава), расходуемое на заполнение объема зазора между контактирующими поверхностями лущеного шпона: Qx V3 P, (2.47) где р- плотность сплава, г/м3. 2, Глубина проникновения клеевого слоя в граничные слои шпона при из готовлении слоистого материала специального назначения (согласно экспери ментальным данным) составляет 0,3 мм. Количество связующего (сплава), рас ходуемое на проникновение в граничные слои шпона можно определить: Q2=V -pt (2.48) где V - объем связующего, проникшего на глубину до 0,3 мм, при условной пористости древесины 37,2% и влажности 8% (рис.2.11). Q2 = 1-0,0003- -9,7-106 = 1082,5 г. 2 1 3. Для придания конструкции слоистого материала защитных свойств от рентгеновского излучения необходимо создать сплошной и однородный по толщине «клеевой» слой. Толщина этого слоя должна нести в себе основную защитную функцию. Для определения минимальной толщины сплошного слоя воспользуемся основным законом ослабления рентгеновского излучения (1.4) и рассчитаем ее через величину линейного коэффициента ослабления сплава ВУДа.
Поскольку сплав ВУДа является веществом сложного химического состава, то величину линейного коэффициента ослабления можно определить элементарным составом [49] и линейными и массовыми коэффициентами ослабления его составляющих [15].
Известно, что массовый коэффициент ослабления является величиной сложным образом зависящей от атомного номера элемента и длины волны рентгеновского излучения [16], Для определения массовых коэффициентов ослабления элементов, входящих в состав сплава, в зависимости от рабочего напряжения рентгеновской трубки, воспользуемся номограммой [86]. Рассчитав массовые коэффициенты ослабления сплава ВУДа, согласно (1.6), определим величины линейных коэффициентов ослабления (1.5).
Преобразовав, формулу (1.4) и задав величину кратности ослабления рентгеновских лучей, прошедших через слой фольги из сплава ВУДа рассчитаем толщину защитного слоя фольги. Результаты расчета приведены в приложении 26 и на рис.2.12.
Из рис.2.12 видно, что при рабочем напряжении 75 кэВ (наиболее применяемого в медицине) и кратности ослабления рентгеновского излучения в 40 раз толщина защитного слоя должна составлять не менее 0,36 мм. Поэтому при создании трехслойной конструкции слоистого материала, имеющей два «клеевых» слоя, толщина каждого должна быть 0,18 мм.
Экспериментальное оборудование и измерительная аппаратура
Для определения величины диаметра и высоты капли, входящих в расчетную формулу (3.1), исследуемый сплав разогревался до температуры плавления (68 С) и при помощи нагретой стеклянной пипетки наносился на подготовленные образцы шпона.
С целью получения достоверных результатов, проводили предварительную отработку техники нанесения капли на шпон, добиваясь постоянных размеров и массы капли. Массу капли определяли весовым методом на электронных весах ВЛТ-510-П класса 4 с точностью измерений 0,01 г. Средняя масса капли равнялась 0,21+0,02 г. Замеры производились через 30 секунд после нанесения сплава на поверхность шпона.
Цель исследования - определить степень проникновения адгезива (сплава ВУДа) в толщину березового лущеного шпона в зависимости от толщины пакета слоистого материала специального назначения.
Исследования распределения связующего в зоне клеевого слоя, структуры клеевого слоя и характера разрушений в процессе испытания образцов дают представления о взаимодействии связующего с древесиной, по величине которых можно судить о качестве полученного материала.
Известно, что на величину площади контакта связующего со шпоном влияет глубина проникновения последнего в толщину шпона, прилагаемое давление, капиллярное всасывание, сопротивление воздуха заключенного в порах, характеристика связующего и ряд других факторов [6,27].
Из полученных образцов слоистого материала специального назначения выполнялись микросрезы на микротоме. Толщина каждого снятого слоя (среза) составляла 0,2+0,01 мм.
Количественные исследования проникновения сплава в толщу шпона определялись с использованием метода рентгенографии. Для этого исследуемые образцы (срезы слоистого материала специального назначения) укладывались по ходу рентгеновских лучей и отображались на рентгеновской пленке. В эксперименте рентгеновское излучение получено при помощи рентгеновского аппарата РУМ-20М при следующем режиме облучения: напряжение в рентгеновской трубке 48 кэВ, сила тока 60 тА, время выдержки образцов 3 с, расстояние 1 м.
Полученные фотопленки подвергались электронному сканированию с целью увеличения изображения. По полученным фотографиям с учетом масштаба увеличения определялась глубина проникновения сплава в толщину шпона, а также толщина сплошного клеевого слоя полученная в процессе прессования образцов.
Цель исследований - исследовать, как с изменением технологических параметров создания слоистого материала специального назначения изменяются его физико-механические свойства, оцениваемые пределом прочности при скалывании по клеевому слою, пределом прочности при статическом изгибе вдоль наружных слоев и пределом прочности при растяжении вдоль волокон.
Полученные в результате прессования образцы слоистого материала специального назначения раскраивались для испытаний на физико-механические свойства в соответствии с [47]. Метод определения предела прочности при скалывании по клеевому слою заключается в определении максимальной нагрузки, разрушающий образец при скалывании. Форма и размер образцов для испытаний на скалывание по клеевому слою должны соответствовать [61], и приведены на рис.3.1. Образцы вырезали вдоль волокон наружного слоя. Испытание образцов осуществляли на испытательной машине МР-0,5 (с погрешностью нагрузки до 1 %),
Ширину плоскости скалывания образца измеряли по середине длины каждой плоскости скалывания и принимали как среднее арифметическое. Длину плоскости скалывания принимали равной среднему арифметическому четырех измерений. Измерения выполняли вдоль кромок плоскости скалывания.
Исследование распределения слоя сплава по толщине пакета слоистого материала специального назначения
Смачивание поверхности субстрата жидким связующим - важное условие формирования качественного клеевого соединения, поскольку оно характеризует возможность поглощения древесиной связующего, взаимодействие между микрочастицами контактирующих веществ, а также способность адгезива распределяться по подложке [27].
Задача исследований: изучить влияние подготовки поверхности шпона на смачивающую способность расплавленного сплава.
Исследования проводились с применением классического эксперимента, согласно методике, описанной в главе 3. Основные характеристики математической обработки результатов эксперимента по определению краевого угла смачивания расплавленного сплава ВУДа с поверхностью лущеного шпона приведены в можно сделать следующие выводы: расплавленный сплав ВУДа не смачивает поверхность березового лущеного шпона, поскольку значения краевого угла смачивания сплава превышают значения 90, что объясняется разнородной химической природой вступающих во взаимодействие материалов. Контактная поверхность шпона является гидрофобной по отношению к сплаву. Адгезионная прочность достигается за счет контакта между сплавом и шпоном благодаря пористому строению древесины. Это объясняется действием сил механической адгезии, т.е. количеством «гвоздевых» связей, степенью разветвленное этих связей и глубиной проникновения сплава в толщину шпона; увеличение шероховатости поверхности шпона положительно влияет на процесс взаимодействия поверхности шпона со сплавом, т.к. с ростом неровностей (до определенных пределов) величина краевого угла смачивания уменьшается. Шероховатость поверхности нарушает симметрию капли, т.к. проекция капли имеет неправильную форму, с языками, направленными в сторону выемок поверхности. При этом пло щадь контакта увеличивается; наблюдается гистерезис, вызванный шероховатостью, т.е. следствием асимметрии капли, обусловленными выступами шероховатой поверхности.
Исследования распределения связующего в зоне клеевого слоя, структуры клеевого слоя и характера разрушения в процессе испытания образцов дают представления о взаимодействии связующего с древесиной, по которым можно судить о качестве склеивания.
Адгезия клеевого слоя к поверхностям обеспечивается разными факторами [75]: Во-первых, это межмолекулярные силы, т.е. силы взаимодействия между молекулами связующего и поверхности. Они зависят от размера молекул, наличия в их составе полярных групп.
Второй фактор — это механическое заклинивание клея в порах и микронеровностях поверхности субстрата («якорное зацепление»). С этой точки зрения положительную роль играет создание шероховатости на поверхности склеиваемых материалов.
Третий фактор - взаимное проникновение (диффузия) молекул клея. Это приводит к размыванию границы раздела между ними и упорядочению адгезионной связи.
Для обеспечения адгезии необходим тесный контакт между связующим и склеиваемыми поверхностями. Для получения такого контакта связующее применяется в жидком виде - в данном случае в виде расплавленного сплава ВУДа. Затем связующее должно перейти в твердое состояние, т.е. фазовые переходы сплава ВУДа из жидкого состояния в твердое. Капиллярно-пористая структура древесины способствует внедрению связующего в тело субстрата.
Клеевое соединение условно можно представить в виде слоистого композита (рис,4.1), причем толщина связующего и зоны древесины, пропитанной ад-гезивом меньше толщины склеиваемого шпона.
Глубина проникновения связующего в древесину различна и зависит от многих факторов, таких как плотность древесины, строение (раняя или поздняя), количества и величины капилляров и пор, влажности древесины, условий склеивания (температура, давление и т.д.) [4,6,27].
Толщина клеевого слоя не является постоянной величиной, явно выраженной по всей поверхности склеивания, и определяется, прежде всего, природой связующего, его расходом, поверхностными свойствами древесины [27].
Поскольку, легкоплавкий сплав ВУДа, не смачивает поверхность лущеного шпона, и при контакте между ними могут образовываться только механические связи, то исследовать распределение сплава по толщине шпона при созданий слоистого материала специального назначения, с применением в качестве связующего легкоплавкого сплава ВУДа, можно путем исследования струк-турыпорового пространства шпона. Такой метод исследования был разработан на кафедре Механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического института и защищен авторским свидетельством (№1711039 от 08.10.91).
Образцы слоистого материала специального назначения размером 200x200 мм помещались в чашу Петри, в которой находилась культура грибка Conlophora Cerebella, паразитирующего на древесине. Чашу Петри с образцами материала и культурой помещали з термостат, обеспечивающий оптимальные условия для жизнедеятельности Conlophora Cerebella условия: температура 22-30 С и влажностью 60-100 относительных процентов.
Через 2-4 недели, времени достаточного для полного разрушения древесного материала, полученный слепок очищали от продуктов жизнедеятельности Conlophora Cerebella погружением в воду. Слепок структуры порового пространства шпона, позволяющего судить о распределении сплава по толщине шпона, далее изучали с помощью бинокулярной лупы.
Исследования, полученного слепка, свидетельствуют о том, что в структуре клеевого слоя слоистого материала специального назначения четко выделяются две зоны. Первая, более тонкая -это зона сплошного клеевого слоя, которая отличается более плотным и однородным строением. Вторая зона — зона проникновения сплава в толщину шпона, которая представлена в виде сплава распределенного по внутренним полостям, образующего своеобразную пространственную систему с различными ответвлениями, различных размеров, которая в процессе затвердевания сплава при создании слоистого материала специального назначения образует прочный клеевой шов.
