Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. задачи исследования 10
1.1 Способы улучшения физико-механических свойств древесины 11
1.1.1 Облагораживание древесины сушкой 11
1.1.2 Облагораживание древесины пропиткой 12
1.1.3 Облагораживание древесины механическим давлением 13
1.1.4 Облагораживание древесины гидротермическим воздействием 17
1.1.5 Облагораживание древесины облучением 17
1.2 Модифицирование древесины 18
1.2.1 Способы модификации древесины 20
1.2.2 Способы пропитки древесины 26
1.2.3 Материалы для модифицирования древесины 29
1.2.4 Полимеризация модификатора 32
1.3 Оборудование для уплотнения древесины 33
1.4 Применение модифицированной древесины для производства паркета 36
1.5 Выводы. Задачи исследования 38
2 Теоретическое обоснование повышения физико механических свойств мягких лиственных пород древесины 41
2.1 Основные процессы, протекающие при пропитке древесины 41
2.2 Теоретическое обоснование сопротивления статическим и динамическим нагрузкам паркетной планки 49
2.3 Процессы, происходящие в древесине при сжатии поперек волокон
2.4 Теоретическое обоснование толщины паркетной планки из модифицированной древесины 57
2.5 Оценка прочности модифицированной паркетной планки 62
2.6 Выводы 66
3 Общая методика проведения экспериментов 67
3.1 Характеристика древесных материалов для проведения экспериментов 67
3.2 Обоснование выбора и характеристика пропиточных композиций 69
3.3 Характеристика оборудования для проведения экспериментов 75
3.4 Определение влияния вязкости пропитывающего состава на смачивание поверхности древесины 77
3.5 Исследование влияния вязкости пропитывающего состава на степень проникновения его в древесину 79
3.6 Исследование влияния способа пропитки на степень проникновения пропитывающего состава в древесину
3.6.1 Исследование пропитки древесины способом горяче-холодных ванн 83
3.6.2 Исследование пропитки древесины способом вакуум – атмосферное давление 84
3.6.3 Исследование способа поверхностной пропитки 85
3.7 Определение статической и ударной твердости модифицированной древесины 85
3.8 Определение предела прочности модифицированной древесины при статическом изгибе 87
3.9 Определение формостабильности модифицированной древесины 90
3.10 Определение прочности при местном смятии древесины поперек волокон 91
3.11 Определение ударной вязкости древесины при изгибе 92
3.12 Определение истирания модифицированного слоя древесины
3.13 Исследование технологического процесса модифицирования древесины и определение факторов, влияющих на проведение экспериментов 94
3.14 Методика математической обработки результатов экспериментов 100
3.14.1 Регрессионный анализ 100
3.14.2 Математическая модель экспериментов 101
4 Исследование технологических режимов модифицирования древесины 104
4.1 Результаты предварительных экспериментов и их анализ 104
4.2 Исследование влияния вязкости пропитывающих составов на смачивание поверхности древесины 105 4.3 Влияние способа пропитки и вязкости пропитывающего состава на степень проникновения его в древесину 108
4.4 Исследование влияния режимных факторов на формостабильность модифицированной древесины 113
4.5 Исследование влияния входных режимных факторов на статическую твердость модифицированной древесины 119
4.6 Исследование влияния входных режимных факторов на предел прочности при статическом изгибе 124
4.7 Выводы 129
5 Исследование физико-механических свойств модифицированной древесины березы и осины 133
5.1 Исследование статической и ударной твердости модифицированной древесины 133
5.2 Исследование прочности модифицированной древесины при статическом изгибе 136
5.3 Исследование прочности при местном смятии древесины поперек волокон 138
5.4 Исследование ударной вязкости древесины при изгибе 139
5.5 Исследование износостойкости модифицированной древесины 141
5.6 Исследование гидрофобности модифицированной древесины 143
5.7 Исследование формостабильности паркетных планок с модифицированным лицевым слоем 145
5.8 Выводы 148
6 Совершенствование и технико-экономическая эффективность технологического процесса изготовления паркета из малоценных пород древесины с лицевым модифицированным слоем 151
6.1 Описание технологического процесса изготовления паркетных планок с лицевым модифицированным слоем 152
6.2 Разработка и описание конструкции термопрокатного станка 156
6.3 Экономическое обоснование эффективности производства паркета с лицевым модифицированным слоем из древесины мягких лиственных пород и березы 162
Общие выводы и рекомендации 166
Список использованной литературы: 171
- Облагораживание древесины гидротермическим воздействием
- Теоретическое обоснование толщины паркетной планки из модифицированной древесины
- Исследование влияния вязкости пропитывающего состава на степень проникновения его в древесину
- Исследование износостойкости модифицированной древесины
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основными направлениями экономического и социального развития России на ближайшие годы предусматривается обеспечить существенную экономию лесоматериалов в строительстве, значительно повысить комплексность переработки древесного сырья, шире использовать древесину лиственных пород.
Одним из наиболее крупных потребителей древесины, требующих расхода большого количества ценных твердолиственных пород, является производство натуральных покрытий для паркетного пола. Использование в этом качестве древесины мягких лиственных пород и березы приводит к значительному уменьшению срока службы паркета.
Технология модифицирования наиболее эффективна для внедрения в Уральском регионе, где по статистике имеется большой запас древесины мягких лиственных пород и березы. В регионе сосредоточено более 769,1 млн. м3 спелых и перестойных насаждений, из которых треть насаждений составляет береза и десятую часть - осина. Перечисленные породы не обладают высокими декоративными, физико-механическими и эксплуатационными свойствами и в настоящее время мало используются в деревообработке.
Решение задачи увеличения срока эксплуатации напольных покрытий может быть достигнуто за счет модификации для улучшения физико-механических свойств древесины мягких лиственных пород и березы.
Все вышеизложенное послужило основанием для проведения исследований, направленных на разработку технологии и режимов производства паркета с лицевым покрытием из модифицированной древесины мягких лиственных пород и березы.
Цель работы: повышение эффективности производства напольного покрытия. Научной новизной работы обладают:
- теоретическое обоснование стойкости напольного покрытия под действи
ем эксплуатационных нагрузок;
- полученные математические модели, реально описывающие физико-
механические показатели модифицированной древесины;
теоретически и экспериментально получено паркетное покрытие из древесины мягких лиственных пород, у которого наружные уплотненные и модифицированные введенным полимером граничные слои древесины, с сохранением в средней части натуральной неуплотненной и непропитанной древесины;
разработанная технология изготовления паркетных изделий путем модифицирования поверхностного износостойкого слоя, с насыщением его полимерной композицией и последующим уплотнением, эффективность подтверждена практическим применением;
разработанная конструкция вальцового термопрокатного станка проходного типа.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в работе технологические параметры легли в основу разработки технологического про-
цесса изготовления напольного покрытия с износостойким лицевым слоем из модифицированной древесины мягких лиственных пород и березы.
Новый материал из древесины березы и осины обладает повышенными физико-механическими свойствами и находит применение в строительстве в качестве напольного покрытия в жилых и общественных зданиях, позволяя снизить себестоимость жилья и шире использовать произрастающие на Урале породы древесины.
Промышленная реализация результатов исследований может быть внедрена на деревообрабатывающих предприятиях и в паркетном производстве.
Методы исследования.
Исследования проводились на основе теоретического и экспериментального изучения процесса модифицирования древесины мягких лиственных пород и березы. Полученные результаты обрабатывались методом математической статистики с использованием стандартных пакетов прикладных программ.
Объект исследования.
Объектом исследований является паркетная планка с модифицированным износостойким слоем из древесины мягких лиственных пород и березы.
Предметом исследования являются способ получения, технологический режим, физико-механические свойства модифицированного износостойкого слоя паркета из древесины мягких лиственных пород, соответствующие качеству паркетных изделий на уровне требований действующих стандартов.
Научные положения, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование допускаемых контактных напряжений и де
формаций при исследовании прочности паркета из модифицированной древе
сины лиственных пород;
- регрессионные модели взаимосвязи формостабильности, статической
твердости, предела прочности при статическом изгибе от температуры пропи
точного состава, времени выдержки до прессования и величины упрессовки;
- результаты экспериментальных показателей физико-механических
свойств модифицированного лицевого слоя покрытия паркета из древесины бе
резы и осины;
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректными допущениями при замене реальных процессов их математическими моделями, современными средствами научного исследования; оценкой адекватности регрессионных моделей, подтвержденной в соответствии с общепринятыми методиками, приемлемым совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными; положительными результатами промышленной апробации паркетной доски, экономической эффективностью применения разработанной технологии в производстве.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и научно-практических конференциях: на Международном Евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века», в рамках Евро-Азиатского лесопромышленного форума (Екатеринбург, 2009 г, 2016 г.); на программе «Участник молодежного научно-инновационного
конкурса 2009» - Международной научно-практической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (Екатеринбург, 2009 г.); ежегодной научно-практической конференции УГЛТУ 2009-2010 гг; VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» и конкурса по программе «УМНИК» (Екатеринбург, 2012 г.); IХ Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2013 г.); X Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2014 г.), на Московском Международном салоне образования (Москва 15-18 апреля 2015 г.); на XI Международной научно-технической конференции Лесная наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социально-экономические и экологические проблемы лесного сектора экономики. (Екатеринбург, УГЛТУ, 2017 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем диссертации 207 страниц, из них 181 страница основного текста. Работа содержит 43 рисунка, 25 таблиц, 9 приложений, список использованной литературы включает 128 наименований, из них 12 на иностранных языках.
Облагораживание древесины гидротермическим воздействием
В настоящее время в связи с сокращением запасов деловой древесины особую актуальность приобретает проблема использования в качестве промышленного сырья древесины быстрорастущих мягких лиственных пород, модификация древесины различными способами, в том числе и уплотнением, которое осуществляется с целью повышения ее физико-механических свойств. Процесс прессования древесины основан на способности натуральной древесины деформироваться без разрушения под воздействием нагрузки и проводится в три стадии. На первой стадии древесине придается пластичность, на второй - уплотнением достигается изменение ее механических свойств, а на третьей придаются и закрепляются новые улучшенные свойства [5, 6].
Промышленное производство прессованной древесины под названием «лигностон» (дерево-камень) появилось в начале прошлого столетия в Западной Европе и США. Физическая сущность способа заключается в сжатии (прессовании) древесины под механическим давлением, при котором уменьшается ее объем и увеличивается плотность. Древесина является пористым материалом, и от 20 до 80 % ее объема в зависимости от породы занимает воздух. При сжатии древесины объем, занимаемый воздухом, уменьшается и, соответственно, увеличивается удельный вес, занимаемый собственно древесным веществом. В нашей стране работы по модификации ведутся с 1926 года. ЦНИЛХИ был разработан способ облагораживания древесины контактным нагревом в печах и на плитах пресса с последующим механическим уплотнением. Этот способ получил название «прессование с предварительным нагревом» и в настоящее время используется для производства ткацких челноков [7].
Хухрянский П.Н. предложил механическое уплотнение древесины с предварительным распариванием [5]. Принципиальная разница между этими способами обработки заключается в том, что при первом способе сухую древесину влажностью 8…10 % нагревают до температуры в центре бруска до 90...95 С и прессуют, а при втором способе древесину любой влажности до прессования предварительно пропаривают при давлении пара не выше 1 атм. с нагревом внутренней части бруска до 85...90 С. Процесс прессования ведется с использованием пресс-форм (кассет) в одноэтажных прессах или в многоэтажных прессах без пресс-форм.
Теория прессования древесины, которую сформулировал Хухрянский П. Н., включает три основных положения:
1. Прочность древесины всех пород можно повысить ее уплотнением, то есть за счет увеличения количества древесного вещества в единице объема, только если это уплотнение не будет связано с разрушением клеток.
2. Прессование древесины следует производить поперек волокон, причем все хвойные и лиственные кольцесосудистые породы следует прессовать в радиальном направлении, а лиственные рассеяннососудистые породы - в радиальном и тангенциальном направлениях.
3. Прессовать древесину необходимо в размягченном состоянии с последующей сушкой и охлаждением деформированной древесины для закрепления и стабилизации достигнутых формы и размеров.
Все существующие способы прессования в зависимости от направления уплотнения делятся на четыре группы: одноосное, двухосное, контурное и гидростатическое или всестороннее прессование. Разновидностями одноосного прессования являются местное прессование, прокатка и гнутье [5, 8].
Наиболее распространенными видами прессования, нашедшими практическое применение при получении термомеханически модифицированной древесины, являются одноосное равномерное поперечное прессование и контурное прессование. Предварительная пластификация древесины в зависимости от назначения производится жидким аммиаком, карбамидом [7, 9].
Радиальный способ уплотнения древесины рассмотрен в работах [10, 11]. Интересен способ радиального прессования резиной [12]. Способ контурного прессования используется для уплотнения цилиндрических деталей продавлива-нием заготовок через конус и применяется, главным образом, для получения втулок [5, 12]. К недостаткам данного способа следует отнести пониженные показатели физико-механических свойств прессованной древесины и сложность фиксации заготовки после уплотнения. Непрерывный способ получения прессованной древесины отражен в работе [13]. Однако прессованная данным способом древесина имеет низкие показатели физико-механических свойств.
В настоящее время древесина одноосного уплотнения изготавливается в плитах пресса или пресс-формах, а древесина контурного прессования - путем протяжки, эти способы малопроизводительны и требуют значительных затрат ручного труда. Поэтому возник вопрос об уплотнении древесины способом проката [14], которым можно получить древесину как одноосного, так и контурного уплотнения. С целью повышения физико-механических свойств и для обеспечения однородности структуры изделия используется способ уплотнения древесины путем вращения заготовки между двумя подвижными поверхностями и эффект их обратного последействия [15, 16].
Меньшее распространение получил способ двухосного уплотнения [17, 18]. При этом способе получается материал с более однородными свойствами, но эта технология значительно более трудоемка и менее производительна.
Значительно реже для уплотнения древесины используют неравномерное прессование [19], безпрессовое уплотнение [20], самопрессование [21], способ уплотнения в торец [5, 6]. Перспективным способом прессования является прессование пластифицированной древесины, а в качестве пластификатора может быть использован аммиак или карбамид [22, 23, 24].
Предложенное инженером Малышевым в 1932 году торцовое прессование нашло ограниченное применение и использовалось при изготовлении деревянных пуговиц. При этом способе древесина равномерно уплотняется вдоль волокон при прессовании в круглых или прямоугольных пресс-формах или на плитах пресса. Древесина торцового уплотнения обладает высокой износостойкостью и прочностью [25, 26]. Преимуществом уплотнения древесины вдоль волокон по сравнению с прессованием поперек волокон является то, что для торцового прессования достаточно 10 мин выдержки после сжатия, и размеры не восстанавливаются, а для обычной прессованной древесины необходимо 6...8 ч сушки в пресс-форме. Недостатком сжатой вдоль волокон древесины является то, что при большой степени уплотнения происходит разрушение древесины.
Применение того или иного способа прессования обуславливается, главным образом, задачами и требованиями конкретного применения и возможностями его технического исполнения. Так как под действием внешнего давления снижается объем пор в древесине и тем самым увеличивается плотность, то это приводит к получению прессованной массивной древесины. Процесс должен осуществляться в зависимости от породы, температуры, влажности древесины и от давления таким образом, чтобы не происходило существенного разрушения структуры и снижения прочности заготовки.
Теоретическое обоснование толщины паркетной планки из модифицированной древесины
Основным оборудованием, которое применяется для одноосного прессования массивной древесины и композиционных материалов на ее основе (фанера, плиты, пластики и т.д.), являются гидравлические прессы, которые классифицируются по различным признакам: - по конструкции - колонные, рамные, коробчатые; - с верхним и нижним расположением цилиндров; - одноэтажные с двумя прессующими плитами и многоэтажные с тремя и более плитами; - для холодного и горячего склеивания; - по принципу действия - прессы периодического, периодически - непрерывного и непрерывного действия. В прессах периодического действия в качестве прессующих элементов наиболее часто используются жесткие плоские плиты, а в прессах непрерывного действия – вращающиеся валки (валковые прессы), система гусениц (гусеничные прессы), или металлическая лента (ленточные прессы).
Особенность прессования при уплотнении древесины – необходимость обеспечения равномерного сжатия древесины поперек волокон. Давление можно создать на отдельном участке и постепенно перемещать его по всей длине заготовки, например, при вальцовом прессовании, или дать давление сразу на всю поверхность заготовки при прессовании в прессе с плоскими плитами [67].
Выбор способа прессования зависит от поставленной задачи, применяемых материалов, объема выпускаемой продукции, технической оснащенности предприятия.
Повышение физико-механических и эксплуатационных свойств древесных материалов невозможно без совершенствования оборудования и создания его новых видов, обеспечивающих одновременно рост производительности труда и качества продукции [68]. Использование для уплотнения древесины прессовых установок непрерывного действия имеет ряд преимуществ перед позиционным оборудованием – прессами с плоскими плитами, особенно при обработке массивной древесины мягких лиственных пород малой плотности.
Во-первых, нет необходимости создания больших межоперационных запасов заготовок для обеспечения полной загрузки пресса, так как в ленточный или валковый термопрокатный пресс или станок заготовки любой длины могут подаваться непрерывно сплошным ковром, что способствует повышению коэффициента полезного действия такого станка практически до 0,93-0,95 %.
Во-вторых, обработка всех заготовок будет происходить по одинаковому технологическому режиму: температура, время, давление, скорость подачи и другие параметры режима модифицирования. Процесс нанесения пропиточного состава можно синхронизировать с процессом прессования, что позволит создать непрерывный поток модификации древесины.
В-третьих, прессовые ленточные или вальцовые термопрокатные установки более компактны, менее материалоемки, менее сложны по конструкции механизмов и эксплуатации, не требуют сложных загрузочно-разгрузочных механизмов, мощных гидростанций, легко встраиваются в поточные линии, имеют достаточно высокую производительность.
Значительное увеличение производительности может быть достигнуто на основе непрерывности процесса прессования при использовании проходных валковых прессующих устройств. В части 6.2. представлена разработанная конструкция вальцового термопрокатного станка проходного типа, позволяющего в непрерывном режиме производить уплотнение пропитанной древесины. Плоские заготовки могут прессоваться в валковых прессах при непрерывном движении заготовок.
Дополнительные преимущества непрерывного производственного процесса заключаются в возможности более полно внедрить механизацию и автоматизацию и значительно снизить трудоемкость производства, что имеет первостепенное значение в условиях рыночных экономических отношений. 1.4 Применение модифицированной древесины для производства паркета
Спектр возможного применения модифицированной древесины очень широк, но пока существуют только несколько промышленных технологий, нашедших применение в производстве. В основном, это изготовление деталей для машиностроения, ткацкого и сельхозоборудования.
Для деревообработки наибольший интерес представляет использование модифицированной древесины для изготовления лицевого покрытия пола. Натуральный паркет является наиболее качественным по эксплуатационным и декоративным свойствам и потому востребованным покрытием для пола. Спрос на паркетные изделия постоянно растет, а если учесть, что на каждые 100 м2 паркетных досок расходуется около 2,7-3,0 м3 древесины ценных твердолиственных пород, то в ближайшие годы дополнительно потребуются десятки тысяч кубометров дуба, ясеня, бука, произрастающих в России в ограниченном количестве и завозимых из стран СНГ, Болгарии, Венгрии, Турции и других стран. Поэтому сдерживающим фактором в развитии паркетного производства является ограниченный запас пиломатериалов твердолиственных пород, необходимых для изготовления лицевого покрытия паркета. В нашей стране постепенно истощаются запасы ценных твердолиственных пород древесины, которая в больших количествах идет на изготовление паркетного пола. В связи с этим особое значение приобретает проблема замены дефицитных, чаще всего зарубежных твердолиственных пород, другим равноценным качественным материалом.
С целью установления единой номенклатуры показателей качества паркетных изделий разработан ГОСТ 4.223-83 «СПКП. Строительство. Изделия паркетные. Номенклатура показателей». Наиболее важный и сложный из его критериев -технический уровень содержит следующие показатели: - назначение (механическая прочность, биостойкость, водостойкость и др.); - уровень исполнения (предельные отклонения, влажность, шероховатость и др.); - надежность (срок службы, срок хранения);
Исследование влияния вязкости пропитывающего состава на степень проникновения его в древесину
В процессе эксплуатации напольного покрытия из любого материала, в том числе паркета из натуральной древесины, возникают постоянные от установленной мебели, музыкальных инструментов и других предметов или периодические от каблуков обуви, колес офисных кресел или ножек стульев местные контактные деформации и напряжения, являющиеся причиной местного смятия древесины в зоне контакта, особенно поперек волокон. Допускаемое контактное напряжение зависит в основном от свойств поверхностных слоев материала и от изменения контактных напряжений во времени.
Контактные напряжения и деформации имеют резко выраженный местный характер, быстро уменьшаясь по мере удаления от зоны контакта. Так как эти контактные напряжения чаще всего мало изменяются по величине и во времени, то расчет ведется на статическую контактную прочность, нарушением которой является появление пластических деформаций в зоне контакта, в данном случае смятие древесины.
Задачей теоретического исследования является определение допускаемых напряжений на поверхности модифицированной древесины, то есть статической контактной прочности.
Расчеты на статическую контактную прочность связаны с необходимостью определения зависимости между нагрузками, действующими на контактирующие тела, характеристиками материала тел, геометрией их поверхностей и возникающими напряжениями и выполняются методами теории упругости. Нагрузка, нормальная к поверхностям контакта, вызывает местные деформации контактирующих тел и контакт по некоторой малой площадке, имеющей в большинстве случаев форму круга (от каблука женской туфли) или прямоугольной плоскости (от колеса офисного стула). Давление, передаваемое от одного тела к другому, распределяется по контактной площадке неравномерно.
Закон распределения контактных напряжений по площадке контакта [122] показан на рисунке 2.9 в виде пространственной эпюры - а) и плоской эпюры – б). Рисунок 2.9 – Распределение контактных напряжений по площадке: где F – давление в произвольной точке площадки контакта, кН; F0 – максимальное давление, возникающее в центре контакта, кН; 2а – диаметр площадки контакта, мм.
Паркетную планку рассматриваем как упругое полупространство, ограниченное плоскостью. Стальной шар вдавливается силой F в полуплоскость. Требуется найти из условия контактной прочности предельное значение [F] силы.
Характеристикам модифицированного материала планки и радиусу кривизны ее поверхности присвоим индекс 2: Е2б = 441 МПа – модуль упругости материала в поперечном направлении; 2 = 0;90 = 0,018 – коэффициент Пуассона вдоль волокон при действии напряжений, направленных поперек волокон [124]; R2 = - радиус кривизны плоской поверхности. Характеристикам стального шара присвоим индекс 1: Е1 = 2,0 105 МПа – модуль упругости стали; 1 = 0,3 – коэффициент Пуассона; R1 = 0,03 м - радиус кривизны шара. Такой радиус имеют опоры и пуансон, при испытаниях древесины [94]. Решая контактную задачу Герца [122], находим приведенный радиус кривизны в месте контакта: — = - + -= - (2.42) Рпр 1 2 1 Ищем комбинированную упругую постоянную материал контактирующих тел (2.43) Наибольшее давление, действующее в центре контактной площадки равно F0 = 0,5784 3Ц . (2.44) Найденное по формуле (2.44) давление должно удовлетворять условию прочности F0 []к = б. (2.45)
Здесь в качестве допускаемых контактных напряжений []к взяты напряжения предела прочности при статическом изгибе модифицированной древесины б. Подставляя значения (2.42), (2.43), (2.45) в формулу (2.44) и решая полученное соотношение относительно F, получаем допускаемое значение силы [F]. [F] ={- )zpl9Ti2. (2.46) Определяем радиус контактной площадки а: а = 0,9086 [F]pnp. (2.47) Поскольку выбор допускаемых напряжений основан на опыте эксплуатаций объекта, по формулам (2.42) - (2.46) вычислены значения допускаемой силы [F] для разных величин допускаемого контактного напряжения []к. Вычисление по формулам (2.42 - 2.47) проводим для березы при Е2б=4,41108 Па, 2=0,04; а также дуба Е2д=8,93108 Па, 2=0,09. Алгебраические преобразования проведены на ЭВМ с применением системы символьных преоб 65 разований «Математика-5», программа вычислений приведена в приложении А. Результаты вычислений сведены в таблицу 2.1. По результатам вычислений построены графики зависимости допускаемой силы от допускаемых напряжений (рисунок 2.10).
Расчет допускаемых контактных напряжений, в достаточной степени отражает процесс износостойкости модифицированной древесины мягких лиственных пород и березы. 2.6 Выводы
По результатам теоретических исследований процесса модифицирования древесины можно сделать следующие выводы:
1. При модификации сухой древесины пропитывающими составами на основе отверждающихся при повышенных температурах смол преобладают пропитка и движение пропитывающих веществ под действием капиллярного давления после нанесения состава на поверхность древесины, а также незначительно - под действием избыточного давления при прессовании древесины. Для обеспечения качественного модифицирования необходимо использовать пропиточные составы, хорошо смачивающие древесину и позволяющие регулировать при необходимости вязкость и температуру, чтобы достичь требуемой глубины пропитки.
2. Паркетную планку, полученную в процессе модифицирования можно рассматривать как трехслойную панель, у которой наружные, один пропитанный и оба уплотненных слоя, воспринимают основные нагрузки в процессе эксплуатации паркета и имеют повышенные физико-механические характеристики, зависящие от глубины пропитки и степени уплотнения древесины и превышающие значения аналогичных характеристик внутреннего слоя.
3. При термоуплотнении, необходимо устанавливать оптимальное усилие прессования с учетом допускаемой деформации древесины чтобы не допустить разрушения структуры древесины, а значит снижения механических показателей, и в то же время достичь необходимой степени уплотнения и повышения твердости.
4. Присутствие в поверхностном слое паркетной планки пропиточной композиции после полимеризации и уплотнения приводит к образованию прочного поверхностного слоя, что позволяет повысить его статическую контактную прочность и улучшить другие физико-механические свойства древесины.
5. Рассмотренные теоретические предпосылки создания паркетной планки из древесины мягких лиственных пород и березы с износостойким слоем нуждаются в дополнительном экспериментальном подтверждении.
Исследование износостойкости модифицированной древесины
Для определения экономически эффективного и технологичного способа и режима изготовления паркетной планки из модифицированной древесины березы и осины с улучшенными физико-механическими, эстетическими и эксплуатационными показателями были проведены эксперименты по поверхностной пропитке алкидно-уретановыми, алкидными, акриловыми материалами и составом на основе жидкого натриевого стекла подготовленных образцов и их последующему уплотнению. В ходе экспериментов было принято решение о дополнительном использовании для исследования процессов пропитки и модифицирования древесины тополя, произрастающего на Урале в значительном количестве и близкого по своим свойствам к осине.
Процесс модифицирования с применением поверхностной пропитки и последующим уплотнением можно разделить на несколько этапов: 1. Подготовка образцов из древесины березы, осины, тополя. 2. Подготовка пропитывающего состава. 3. Нанесение пропитывающего состава. 4. Открытая выдержка пропитанных образцов. 5. Нагрев пропитанных образцов. 6. Прессование образцов. 7. Технологическая выдержка образцов. Образцы из древесины березы осины и тополя, фрезерованные по сечению, влажностью 10±2 % очищаются от инородных тел и пыли щеткой.
Пропиточный состав тщательно перемешивается и помещается в небольшом количестве в отдельную емкость. После контроля вязкости и температуры пропиточный состав наносится на верхнюю лицевую поверхность образцов вальцом согласно плану эксперимента (уровню варьирования действующих факторов). Количество нанесенного модифицирующего состава рассчитывается по разности масс пропитанных и непропитанных образцов и выдерживается практически постоянным в пределах 200±5 г/м2 за счет дозирующего вальца.
Выдержка пропитанных образцов до прессования на 4 этапе направлена, главным образом, на процесс впитывания пропиточного состава. Здесь очень важно, чтобы этот процесс прошел полностью, и при этом испарение растворителей из древесины было бы минимальным. В связи с этим вводится такой дополнительный фактор, как выдержка образцов после нанесения пропиточного состава до прессования, влияние которого на результат эксперимента будет изучено в дальнейшем. Пропитанные образцы выдерживаются в помещении при постоянной температуре 20±2 0С и влажности воздуха 65%. Время выдержки контролируется согласно плану эксперимента.
После выдержки пропитанных образцов наступает 5 этап - нагрев древесины между плитами пресса в течение 4-8 минут, а затем 6 этап - уплотнение древесины, которая прессуется по заданному режиму: температура прессования 120 0С, усилие прессования 12 МПа. Образцы укладываются на полированные стальные листы, рядом располагаются калиброванные прокладки, ограничивающие упрессовку образцов при прессовании. Толщина прокладок равна толщине получаемого материала. Время выдержки под давлением составляет 4 мин, что достаточно для отверждения и полимеризации пропиточного состава. На данном этапе также происходит дополнительная сушка покрытия, что способствует уменьшению времени сушки образцов в целом. Уплотнение древесины производится также проходным способом на термопрокатном станке, конструкция которого была разработана в процессе выполнения исследований по модифицированию древесины и приведена в разделе 6. Нагрев и прессование древесины происходят при непрерывном движении заготовки между нагревающими и прессующими вальцами с постепенно уменьшающимся расстоянием между ними. После прессования в процессе технологической выдержки при температуре 20±2 0C происходит окончательное отверждение пропиточного состава. Проведение всех замеров и испытаний производится через 3-5 суток после стабилизации древесины.
При исследовании технологического процесса модифицирования изучается влияние переменных режимных факторов (температура пропиточного состава, время выдержки после нанесения состава до прессования и упрессовка – величина уплотнения древесины) на основные физико-механические показатели, необходимые для паркетной планки.
Температура, усилие прессования и время выдержки под давлением были приняты постоянными на основе результатов теоретических исследований процессов отверждения выбранных пропиточных составов и прессования древесины и результатов предварительных экспериментов.
Постоянные или неуправляемые факторы стабилизировались путем проведения экспериментов при одних и тех же условиях, жестко контролировались и все колебания сводились к минимуму. К ним относятся влажность и температура в помещении, влажность древесины, пороки заготовок, наклон волокон к пласти заготовок, время прессования, температура и усилие прессования [98].
Вначале проводятся предварительные эксперименты с целью установления характера зависимости выходных параметров от отдельных управляемых факторов и отсева факторов, оказывающих незначительное влияние на результат [99]. Управляемыми факторами на данной стадии были расход пропиточного состава, время выдержки после нанесения пропитывающего состава до прессования, величина упрессовки, температура состава, способ пропитки, породный состав древесины и применяемые пропиточные композиции. Для этого в ходе классического трехфакторного эксперимента были отобраны 3 фактора из 7, оказывающие влияние на выходной параметр в наибольшей степени, которые в последующем были включены в многофакторный эксперимент.
Впоследствии проводится многофакторный эксперимент по плану Бокса-Хантера B3 для трех независимых переменных для каждой породы древесины и каждой пропиточной композиции. Управляемые или переменные факторы и диапазон их варьирования были определены при проведении предварительных экспериментов: величина упрессовки, время выдержки до прессования, температура пропиточного состава (таблица 3.11). По результатам расчетов с учетом выбранных планов число повторений в каждом опыте было принято равным 3, что связано с тем, что на базе результатов этих опытов было необходимо набрать эмпирический ряд чисел для статических расчетов в заданном количестве, так как результаты одного опыта являются недостаточными для этих расчетов.