Введение к работе
'
Актуальность темы. Необходимость повышения стойкости и хлговечностн изделий из древесины обусловлена экономическими и сологическими аспектами сохранения и рационального использования :сных запасов России.
Наиболее эффективным методом улучшения комплекса свойств )езесины: повышения прочности, химической стойкости, формоста-етьности, био- и огнестойкости и др. является модифицирование ее інтетическимн полимерами. Сущность модифицирования древесины хлючается в прогашсе ее жидкими мономерами или олигомерами с юледуюшим отвер-едением термохимическим или радаацконным юсобами.
Основная область применения модифицированной древесины 4Д) - конструкции, работающие в условиях повышенной влажности и химически агрессивных средах: элементы оросителей и обшивка гра-грен, детали технологической аппаратуры и полы в гндрометадлурги-іском производстве, несущие элементы складов химикатов и удобрені, настилы и ограждения в сельскохозяйственных зданиях. Нз такой евесины изготавливаются полы железнодорожных вагонов и контей-тюз, щитовой и штучный паркет.
Вместе с тем, отсутствие теоретических представлений о кинети-
старениа МД в зкешгуатаїщошшх средах, влияния на ее стойкость
їханических нагрузок существенно ограничшает масштабы и пер-
гктивы использования этого эффективного материала в народном
ІЗЯЙСТВЄ.
МД является композиционным материалом с комплексом задан-гх свойств, обеспечиваемых составом и свойствами полимеров->днфикаторов, технологией пропитки и отверждения. При управлении руктурой и свойствами МД необходимо использовать теоретические «дставления об основополагающих принципах ее структурообразова-и и кинетике старения в эксплуатационных средах, а также техноло-
ЧеСККе ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШеНИЯ ЄЄ СТОЙКОСТИ В СГрОИТеЛЬНЫХ ИЗД8-
ях с точным прогнозироваїдаем долговечкостн.
Таким образом, проблема повышения эксплуатационной стойко-и МД путем управления ее структурообразованием явдяется весьма туальной. Решение данной проблемы имеет важное народнохозяйст-нное значение, так как позволяет решить следующие задачи:
рационально использовать древесное сырье в производстве строи-гаьных изделий, расширить сырьевую базу за счет широкого примене-
малоценкой лиственной древесины березы, осины, тополя;
разработать новые эффективные модификаторы древесины < учетом принципов пластификации, структурирования и комбинирова ния полимеров;
применять оптимальные технологии модифицирования и склеива^ ния древесины, способствующие формированию более совершенное структуры композита, устойчивой к эксплуатационному старению.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом АН СССР "Химия древесины и ее компонентов' (1980-1991гг.); по программам Мин вуза СССР "Сибирский лес" (1980-1991гг.) и МО и ПО РФ "Архитектура и строительство" (1992-2000 гг.).
Цель и задачи исследования. Основная цель исследования заключается в повышении эксплуатационной стойкости и долговечноста МД на основе разработки обобщенных теоретических представлений с ее стойкости под нагрузкой и без нагружения, о кинетике ее старения, уточнения методики прогнозирования долговечности в эксплуатационных условиях и разработки технологий, обеспечивающих повышение стойкости и долговечности композита.
Задачами работы в соответствии с поставленной целью являются:
установление кинетических особенностей старения МД в различных эксплуатационных условиях (в атмосферных, при постоянных v переменных температурно-влажностных воздействиях и в агрессивных средах);
определение влияния на эксплуатационную стойкость МД видг полимера и его размещения в структуре древесины, установление рож физико-химических связей полимеров-модификаторов с древесиной Ї процессе старения композита;
разработка научной концепции повышения эксплуатационной стойкости и долговечности МД;
исследование влияния длительного нагружения на эксплуатационную стойкость МД уточнение методики прогнозирования ее долговечности (без механического нагружения и под нагрузкой);
исследование изменения структуры МД в процессе эксплуатационного старения с привлечением физико-химических методов (дифракция синхротронного излучения, электронный парамагнитны» резонанс, ИК-спектроскопия) и с разработкой структурной модели композита;
разработка и внедрение новых модификаторов древесины с применением пластифицирующих и структуріфующих добавок и комбинированных полимеров, а также эффективных технологий модифицирования и склеивания древесины.
Методологической основой исследований является комплексний подход к аналгау эксплуатационного старения МД с научным бобщением данных об изменении ее физико-механических свойств, іримєнением для исследования структуры композита методов дифракции, спектроскопии, математического моделирования, уточнение мето-№пда прогноза долговечности МД с использованием базовых положе-тй кинетической теории прочности, математического планирования «сперимента.
Научная новизна.
Установлено, что в процессе эксплуатации свойства МД изменяют-:я по экспоненциальным закономерностям, параметры которых опре-іеляются на основе экспериментальных данных и зависят от свойств входного композита и условий его эксплуатационного старения; пока-іан даухстадийный характер эксплуатационного старения МД.
Выявлено определяющее влияние на эксплуатационную стойкость АД связей полимера с древесным веществом, подтвержденное ком-етехсньши физико-механическими и фнзико-химическіши исследова-пгами с расчетом структурных моделей МД в процессе старения. Вперше методом дифракции синхротронного излучения установлено взаимодействие фенолоформальдегидных полимеров-модификаторов с фисталлическими областями целлюлозы в древесине.
Сформулированы и подтверждены на практике научные принципы ювышеиия стойкости и долговечности МД за счет пластификации по-дамеров-модификаторов, применения полимеров с широким молеку-юрно-массовым распределением, создания рациональной структуры композита путем использования технологии многостадийной пропитки і отверждения.
Разработаны теоретические основы создания новых классов фено-гск|юрмальдегидных олигомеров, специально предназначенных для «одифнцирования древесины, с применением структурирующих доба-юк (сульфат бария и углекислый стронций), а также синтеза модификаторов с широким молекулярно-массовым распределением. Показана юзможность применения для модифицирования древесины малокон-^ентрированных фенолоформальдегидных олигомеров, разработаны ювые эффективные многокомпонентные модификаторы.
Установлено, что долговечность нагруженной и ненагруженной АД в эксплуатационных средах может определяться единой экспоненциальной температурно-временной зависимостью: т = То ехр [ (U0 -
- у a) /RT], при этом структурный коэффициент у зависит от содерж
нин в композите связанной влаги со и полимера-модификатора S:
па - mS у (S;o;T) = у0 [1 + —77^Г~3, где /(Г) - функция температур
fyT)
вида аеьт ; n , m - эмпирические коэффициенты. Уточнена метода] прогноза эксплуатационной долговечности нагруженной и ненагружеі ной МД с учетом научных представлений о динамике старения комга зита, предложены коэффициенты, характеризующие условия эксгау; тации МД.
На основе разработанных научных положений о рационально структуре композита созданы новые технологии изготовления строї тельных изделий из стойкой и долговечной МД эффективность кот< рых подтверждена результатами производственного внедрения.
Достоверпопь результатов работы. Полученные выводы и р« комендацин подтверждены успешным внедрением и натурными испь таниши, сходимостью теоретических и экспериментальных резудьтг тов, использованием методов математической статистики и моделирс вания, многолетней апробацией и производственной проверкой.
Практическое зваченнс. Разработаны новые группы модиф*. каторов древесины с улучшенными реологическими характеристикам с применением пластификаторов и структурообразующих добової комбинированных модификаторов, модификаторов с широким молеку лярно-массовым распределением, (ас. 887165, 933465, 982913 1016162,1105311).
Предложены технологам модифицирования и склеивания древес» ны с использованием методов активации поверхностей, способов мно гостадийной пропитки, маяоконцентрнрованкых фенолоформальдвгид пых олигомеров, эффективных многокомпонентных составов (а. с 1105311, 1728280, 1759627, пат. РФ 1717357, 2054444, 2061014 2065355).
Разработаны и апробированы методы оценки степени эксплуата циокного старения МД и ее структурных изменений, уточненные мето дики прогнозирования эксплуатационной долговечности композита бе нагружения и под нагрузкой.
Промышленная реализация базовых принципов обеспечения стой кости МД в различных эксплуатационных условиях позволила в 3-5 ра повысить долговечность и надежность работы деревянных изделий \ конструкций в градирнях химических гфедприятий, в гидрометаллур-
ни, в полах животноводческих помещений, полах вагонов и контейне-юв, в шахтной крепи, в паркетном производстве.
Реализация работы. Резулі>татьі работы внедрены в оросителях і обшивке градирен химических комбинатов Навоиазот и Ферганаазот Узбекистан, 1982 г., 1990 г.), в настилах и деталях технологического іборудования электролизных цехов Усть-Каменогорского свинцово-ІИНКОВОГО комбината (Казахстан, 1984 г.) и гидрометаллургического омбината Уралэлектромедь ( г. В. Пышма, 1985 г.), в полах железно-;орошшх вагонов и контейнеров (г. Абакан, 1996 г.), производстве дагового и штучного паркета (гг. Кемерово, 1986 г.; Новосибирск, 996 г.; Нижний Новгород, 2000 г.), столярных изделий (г. Новоси* ирск, 1998 г.), начато проектирование цеха модифицирования шахт-юй крепи (г. Новокузнецк, 1999 г,).
Материалы работы используются в учебном процессе при подго-овке инженеров-строителей -технологов по специальности 29.06.00 Производство строительных материалов, изделий и конструкций» в [озоскбкрскои ГАСУ.
Вклад автора о разработку проблемы. Автором осуществлены: аучное обоснование, разработка методик и программ зксперименталь-кх и теоретических исследований, анализ и сообщение результатов, заработка и исследование структурных моделей, экспериментальные сследования в производственных условиях, организация и участие во недрении технологических решений.
Апробация работы и публикации. Основное содержание дие-гртации опубликовано в 35 научных статьях, 2 монографиях и 2 учеб-ых пособиях. Получено 17 патентов и авторских свидетельств. Резуль-ш>! работы доложены на 12 международных, 15 всероссийских, 23 егиональных и межвузовских конференциях, симпозиумах, семинарах совещаниях. Изделия из модифицированной древесины демоистрнро-їлись на ВДНХ СССР, Сибирской ярмарке и других выставках.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве-ения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы и риложения. Объем работы - 366 страниц машинописного текста, в том исле, 94 рисунка и 34 таблицы, список литературы го 312 источников.
Автор признателен д.т.н., профессору НГАСУ, Заслуженному зятелю науки и техники РФ Г.И. Бердову, а также с.н.с. Сибирского знтра синхротронного излучения при институте ядерной физики СО АН, Д.Х.Н. Г.С. Юрьеву за консультирование при проведении исследо-5ний структуры материала.
