Введение к работе
Производство композиционных материалов на основе древесины является динамично развивающейся отраслью глубокой переработки древесины. Возникла эта отрасль в связи с необходимостью расширения областей использования возобновляемых ресурсов - древесины, а также стремлением максимально использовать отходы деревообработки. При этом сравнительно новым направлением развития рынка древесно-наполненных композиционных материалов является производство древесно-полимерных композитов (ДПК).
Актуальность исследования. Сегодня ДПК широко распространены в США, Канаде, Сингапуре, Китае и активно завоевывают популярность в Европе. Спектр их применения самый разнообразный. Начиная с отделки загородной недвижимости: внутреннего оформления домов, при строительстве террас, балконов, беседок, парковых лавочек и заканчивая отделкой полов и стен офисных зданий и торговых помещений.
В настоящий момент разработкой композиционных материалов в основном занимаются специалисты-химики, которые улучшают свойства ДПК с позиции изменения характеристик полимера и его адгезии с древесиной, где были достигнуты серьезные результаты. Однако учитывая, что древесина занимает не менее 30% от общей массы композиционного материала, пренебрегать ее свойствами нельзя. Недостатками древесины, используемой в производстве композиционных материалов, является то, что со временем она синеет, плесневеет, при попадании влаги разбухает, что приводит к снижению механических свойств материала. К тому же, при перемешивании древесного наполнителя со связующим их нагревают до 160-180С, что приводит к выделению газов из древесины, в результате чего в материале образуются микропоры, которые также снижают механические свойства ДПК. Поэтому была поставлена задача улучшения свойств композиционных материалов путем модифицирования древесного наполнителя.
В области переработки древесины известна технология термического модифицирования пиломатериалов, в процессе которой происходит разложение гемицеллюлозы на реактивные молекулы меньшего размера, что позволяет существенно снизить гигроскопичность, повысить биостойкость, долговечность, устойчивость к воздействию высокой температуры, добиться отсутствия усушки и снизить величины коробления в условиях переменной влажности.
Поэтому актуальной представляется исследование процессов термического модифицирования древесного наполнителя в производстве композиционных материалов и разработка соответствующей технологии, позволяющей повысить размерную стабильность, добиться отсутствия микропор, увеличить прочностные характеристики ДПК.
Настоящая работа выполнялась при поддержке гранта Академии наук РТ для молодых ученых № 03-37/2011 «Технология термической обработки древесины в среде топочных газов».
Степень разработанности проблемы. Проблемам исследования свойств древесины как древесного наполнителя в производстве композиционных материалов посвящены многие работы зарубежных и отечественных ученых. Вопросам воздействия высокочастотной плазмы пониженного давления на физические свойства, химический состав и структуру древесного наполнителя посвящена диссертационная работа Л.И. Аминова (Россия); вопросам влияния влажностных деформаций на прочность композиционного материала на минеральном вяжущем - работы А.В. Белова, И.Х. Наназашви-
ли, Г.Д. Диброва (Россия); вопросам теплопереноса в технологиях термообработки древесины, теплофизических свойств древесины, математического моделирования процессов тепло- и влагопереноса древесины - работы П.С. Серговского, А.И. Расева (Россия), Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам влияния термообработки на химические и эксплуатационные свойства древесины - работы Danica Kacikova, Frantisek Kacik, Ladislav Dzurenda (Slovakia) и Vincent Repellin (France), Anna Koski (Finland), E.A. Беляковой, Е.Г. Владимировой, П.А. Каинова, Д.А. Ахметовой, А.Р. Шайхутдиновой, Т.Е. Кувик (Россия).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и обоснование технологии термического модифицирования древесного наполнителя, позволяющей получать композиционный материал с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
Изучение состояния проблемы термического модифицирования древесного наполнителя.
-
Разработка технологии термомодифицирования древесного наполнителя в условиях барабанных аппаратов.
-
Разработка математической модели и алгоритма расчета процессов термомодифицирования измельченной древесины в условиях барабанных аппаратов.
-
Изучение изменения физических свойств измельченной древесины в зависимости от температуры и времени обработки с целью определения недостающих для математического моделирования параметров.
-
Моделирование процессов термомодифицирования древесного наполнителя в условиях барабанных аппаратов с целью выявления рациональных режимов и технических параметров оборудования.
-
Исследование эксплуатационных свойств композиционного материала, полученного на основе древесного наполнителя, прошедшего термомодифицирование, и полимера в качестве связующего.
Предмет и объект исследования. Предметом исследования является технология термомодифицирования древесного наполнителя в производстве ДПК. Объектом исследования являются измельченная древесина и композиционный материал на основе древесного наполнителя, прошедшего термомодифицирование, и полимера в качестве связующего.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процесса теплопереноса в газообразной среде и её теплообмена с материалом, и теплопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки. Для поставленной цели в работе использованы методы математического и физического моделирования. Теоретической базой исследований являлись работы ученых по исследованию свойств древесины как наполнителя в производстве композиционных материалов, влияние термомодифицирования древесного наполнителя на эксплуатационные свойства композиционного материала, а также исследования физико-механических свойств композиционного материала. Эмпирическую основу составляли исследования физических и механических свойств объекта исследования, таких как: насыпная плотность и угол естественного откоса термомодифицрованного древесного
наполнителя, водопоглощение, морозостойкость, прочность при сжатии, растяжении и статическом изгибе ДПК.
Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие научные результаты.
-
Энергосберегающая технология термического модифицирования древесного наполнителя.
-
Математическая модель процессов термомодифицирования измельченной древесины, позволяющая определить параметры технологического оборудования для её термообработки и охлаждения.
-
Механизм изменения физических свойств измельченной древесины в зависимости от температуры и времени обработки с целью определения недостающих для математического моделирования параметров.
-
Рациональные режимные параметры ведения процесса термомодифицирования древесного наполнителя по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований.
-
Результаты исследования эксплуатационных свойств композиционного материала, полученного на основе древесного сырья, прошедшего термомодифицирование, и полимера в качестве связующего.
-
Результаты промышленной апробации технологии термического модифицирования древесного наполнителя в производстве ДПК.
Научная новизна результатов работы. Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на обработку древесного наполнителя путем термомодифицирования:
1. Впервые исследован процесс термомодифицирования древесного наполните
ля в производстве ДПК. Разработана энергосберегающая технология термического
модифицирования древесного наполнителя.
2. Разработана математическая модель процессов термомодифицирования
измельченной древесины, позволяющая определить параметры технологического обо
рудования для её термообработки и охлаждения. Определены рациональные технологи
ческие параметры процесса.
3. Впервые экспериментально определены эксплуатационные свойства компо
зиционного материала, полученного на основе древесного наполнителя, прошедшего
термомодифицирование, и полимера в качестве связующего.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в математической модели, адекватность которой установлена в ходе проведения экспериментальных исследований. Математическое описание позволяет определять режимные параметры исследуемого процесса термомодифицирования древесного наполнителя; устанавливать физические характеристики объекта исследования и влияние отдельных факторов на процессы термомодифицирования.
Практическая значимость работы заключается в разработке технологии термомодифицирования измельченной древесины в барабанных аппаратах, в определении влияния основных параметров оборудования на характеристики обрабатываемого материала, в установлении зависимости прочностных характеристик ДПК от режимов обработки древесного наполнителя.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» 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» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (Казань, 2010-13 г), на ГХ-й Республиканской школе студентов и аспирантов «Жить в 21 веке» (Казань, 2010 г), на V-й Российской научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011 г), на международных конференциях «ММТТ-24» (Саратов, 2011 г), «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (Санкт-Петербург, 2011 г), «Энерго-и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2011), «ММТТ-25» (Волгоград, 2012 г), на VI-ой Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2012 г), на научной школе «Технические решения и инновации в технологиях переработки полимеров и композиционных материалов» (Казань, 2012 г.), на 1-ой Международной научно-технической интернет-конференции «Лесной комплекс в XXI веке» (Казань, 2013 г.).
Проведены опытно-промышленные испытания по термомодифицированию измельченной древесины в барабанной камере в среде топочных газов с последующим изготовлением опытной партии террасных досок.
Материалы диссертации применяются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторного практикума по дисциплине «Теоретические основы тепловой и термической обработки биомассы» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 250400 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств».
Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлен экспериментальный стенд для исследования процессов, протекающих при термическом модифицировании древесного наполнителя, и выполнены эксперименты. Автором проведено математическое моделирование исследуемых процессов, проанализированы полученные результаты. Автор разработал способ термической обработки древесины (Пат. № 2453425). Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 1 патент РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [2, 3, 5, 12] - разработка конструкций промышленных аппаратов; [1, 4, 7, 8, 10, 14, 19, 23] - математическое описание процесса термомодифицирования древесного наполнителя; [11, 18] - создание экспериментальной установки, получение и обработка экспериментальных данных; [6, 9, 16, 17, 20, 21, 24] - разработка технологии термомодифи-
цирования древесины в среде топочных газов; [13, 15, 22] - создание нового композиционного материала.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 188 страницах машинописного текста и включает в себя 41 рисунок и 9 таблиц. Список литературы включает 193 наименований цитируемых работ отечественных и зарубежных авторов.
