Введение к работе
Актуальность проблемы. Новые композиционные плиты из отходов лигноцеллюлозного растительнного сырья (стеблей хлопчатника, табака, соломы и др.) по своим прочностным характеристикам не уступают древесностружечным, а по ряду структурно-механических показателей превосходят их. Объем бросовых отходов растениеводства в Средней Азии составляет около 6 млн. тонн, из которых можно получить до 4 млн. м3 композиционных плит в год. Это полноценные заменители древесины с повышенными конструкционными свойствами, позволяющими применять их в строительстве, в мебельном производстве и как товары народного потребления.
Однако, технология производства, процессы структурообра-зования, структурно-механические и строительные свойства этих композитов мало изучены. К настоящему времени еще не сложилась теория, объясняющая зависимость прочностных свойств этих плит от их структуры. Влияние структурно-механических факторов на свойства новых композитов в целом не исследованы. Специфическая особенность структуры новых заполнителей как, содержание в стеблях до 50% лубяных волокон, наличие упруго-пластических свойств, резко выраженная анизотропия (ортотропность), значительная упругость при уплотнении смеси, полидисперсность системы и др. создают отличительные особенности во всех технологических операциях, и процессах структурообразования плит и нетрадиционного решения к проектированию новых материалов с заданными свойствами. Имеются лишь результаты экспериментов по определению основных физико-механических свойств композитов без теоретического обобщения. Поэтому привлечение результатов фундаментальных наук, в первую очередь физико-химической механики композиционных материалов, теории упругости анизотропного тела, теории пластичности и зернистых сред, позволило выработать новый подход к созданию теоретических основ структурообразования новых материалов из отходов растениеводства. А также получить зависимости, позволяющие описать структурные представления о материале, прочностные характеристики его в зависимости от физико-механических свойств сложной композиции сырья, их объемного соотношения фракций и лубяного волокна, вида армирующих добавок, плотности сырья, количества связующего, при оптимизации построения технологического процесса от заданных технологических факторов производства. В настоящей диссертации этот подход получил теоретическое обобщение, развитие, дальнейшее обоснование и подтверждение, в частности, в практическом приложении технологических разработок на предприятиях.
Перечисленные вопросы отражают практически весь комплекс работ по технологии создания и получению новых композиционных плит из отходов местного растительного сырья с заданными свойствами и закономерностями его поведения для применения их в строительстве и мебельном производстве. Это является современной, актуальной задачей, обеспечивающей практическое решение этой научной ПРОБЛЕМЫ путем расширения сырьевой базы для строительства в Среднеазиатском регионе. Что полностью соответствует выполнению целевой программы ресурсосберегающих технологий. Поэтому решение задач, стоящих перед промышленностью новых композиционных материалов, выполненное в диссертации, соответствует требованиям времени, подчеркивает актуальность проведенных исследований. Таким образом среди направлений научно-технического прогресса, играющих в настоящее время особую роль и определяющих перспективы долгосрочного развития экономики, можно выделить проблему создания новых композиционных плитных материалов на основе местного сырья с заранее заданными свойствами.
Цель работы. Создать научные основы процессов структурообразо-вания формирования плит на основе отходов растительного сыря и отработать технологические процессы для получения нового композиционного материала с заранее заданными свойствами и закономерностями его поведения для обеспечения высокого качества материала, сокращения удельного расхода связующего, изыскания резервов эффективности производства и снижение себестоимости строительства с использованием местных материалов.
В соответствии с целью работы сформулированы следующие направления и задачи исследований:
- раскрыть основные закономерности и особенности процессов
формирования плит из растительного сырья, в связи с их внутренней
структурой, определяемой структурно-механическими факторами;
- дать стуктурные представления материала в соответствии с опти
мальным объемным соотношением состава анизотропного наполните
ля и выявить основные закономерности взаимодействия частиц слож
ного наполнителя;
- исследовать механизмы совместного взаимодействия частиц в
композите, состоящего из многокомпонентных структурных состав
ляющих сложной композиции - частиц растительного сырья, лубяных
армирующих волокон, склееных связующим по площадкам взаимных
контактов;
- установить влияние стуктурно-механических, технологических
факторов и степени контактности частиц композита на физико-
механические свойства плит;
- изучить влияние армирующих добавок в виде стеблей
хлопчатника, стеблей табака, отходов лент-шпона на физико-
механические показатели плит с целью упрочнения материала и по
вышения его свойств;
обосновать структурную модель композита, как материала, образованного с хаотическим расположением частиц в плоскости, с учетом специфического структурного строения стеблей;
изучить на основе структурной теории композита и экспериментальных данных прочностные характеристики его с целью получения нового перспективного материала с заранее заданными свойствами и закономерностями его поведения;
разработать математические модели для определения области построения технологических процессов формирования плит из растительного сырья и провести оптимизацию их факторов с помощью ЭВМ;
получить аналитические зависимости уравнений, позволяющих при сложившейся для каждого предприятия системе ограничений (ограничение ресурсов, технологических параметров, разновидности сырья, связующего, денежных средств и т.д.) оптимизировать их по какому-либо критерию методами линейного программирования;
разработать нормативную документацию на технологию изготовления конструкционных плит из отходов местного сырья и дать практические рекомендации по применению новых плит в народном хозяйстве;
определить технико-экономическую эффективность выполнения разработок и исследований.
Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что процессы структурообразования плит из растительного сырья по физической сущности не адекватны, что подтвердило наши предположения о целесообразности поэтапного их рассмотрения - формирования ковра, упрочнения структуры, контактирование частиц;
- теоретически доказаны и экспериментально подтверждены
основные закономерности и особенности процессов образования плит
на принципе совместного взаимодействия составных частей вновь
создаваемой композиции из дисперсных частиц растительного сырья,
в связи с ее внутренней структурой, определяемой структурно-механическими факторами наполнителя;
- получены зависимости, характеризующие структурообразование ковра плит и взаимодействия частиц до периода полимеризации, как движущейся пластической среды проклеенной массы в условиях плоской деформации.
С использованием метода стереологии дана оценка структурных параметров объемного и равномерного распределения частиц сложного наполнителя по всей толщине плиты, а фрактографический анализ "излома" и "среза" плит с применением растровой электронной микроскопии (РЭМ) позволили обосновать основные положения особенностей структурообразования и микроструктуры плит.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные с помощью люминесцентной печати и стереологии параметров структуры плит из растительного сырья убеждают в том, что физико-механические свойства этих плит следует рассматривать в зависимости от структурно-механических, технологических факторов, степени контактности частиц с учетом коэффициента структуры и прочности контактов анизотропных структурных элементов сложного наполнителя.
Установлено, что в новых плитах механизм совместного взаимодействия анизотропных частиц в изотропной полимерной матрице обеспечивается также за счет лубяных волокон, равномерно-распределенных между частицами. Это создает дополнительное армирование пакета, что повышает контактирование частиц между собой и ведет к росту показателя коэффициента структуры "ас".
Обоснована новая структурная модель композита, как материала, с хаотическим расположением частиц в плоскости, с учетом совместного взаимодействия частиц, специфического строения стеблей при 100% его использования.
Теоретически доказана и экспериментально подтверждена связь между степенью контактности частиц и средним напряжением в любом по толщине сечении плиты из растительного многокомпонентного сырья с учетом армирующих добавок и коэффициента структуры "ссс".
Фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования, определившие физическую сущность совместного взаимодействия частиц сложной полидисперсной системы и основные закономерности процессов структурообразования формирования новых плит позволили установить оптимальные параметры рациональной технологии, обеспечивающей высокое качество плит из растительного сырья, ранее не используемого в этой композиции, а также получить новый композит с заданными свойствами и закономерностями его поведения.
Получен ряд новых результатов, которые позволяют определить более точно исходные параметры фракционного состава частиц сложной композиции растительного сырья, устранить "сволакиваемость" лубяного волокна, снизить расход связующего и на этой основе дать практические рекомендации по разработке рациональных режимов технологии получения новых плит.
Используя методы ускоренной оценки стойкости и прогноза долговечности материала разработаны диаграммы циклических испытаний и изменение микроструктуры образцов плит, подверженных ускоренному старению в условиях различных температурно-влажностных факторов.
Разработаны математические модели по определению оптимальной области параметров технологического процесса плит из растительного сырья, для чего выбраны и обоснованы критерии оценки качества плит, разработаны и проанализированы целевые функции, связывающие показатели структурно-механических свойств и степени контактирования частиц с технологическими факторами, а также факторы, наиболее существенно влияющие на качественный состав композита, при получении плит.
Предложены и проверены экспериментально новые технологические решения процессов структурообразования формировния плит на основе отходов стеблей однолетних растений.
Достоверность результатов работы обоснована рационаольным использованием современных средств и методов математического моделирования и фрактографического анализа в РЭМ, планирования многофакторного эксперимента.
Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты являются научной основой для разработки и совершенствования технологических процессов получения нового композиционного материала, заменяющего древесину и другие строительные материалы.
Комплексный подход к решению всей совокупности вопросов, являющихся основополагающими проблемы создания и получения новых композиционных материалов из отходов растениеводства с заданными свойствами, намечает перспективы повышения эффективности процессов структурообразования формирования новых конструкционно-теплоизоляционных плит различного назначения. Получен ряд новых результатов, устанавливающих основные закономерности процессов образования плит в зависимости от их структурно-
механических факторов с учетом особенностей строения стеблей. Это позволило получить математические модели по оптимизации построения технологического процесса в зависимости от ряда технологических факторов производства и создало возможность прогнозировать качество нового материала при различных изменениях его свойств и технологических факторов целевых функций.
Реализация результатов исследований позволяет повысить эффективность производства плит: обеспечить высокое качество материала, і снизить трудоемкость и материалоемкость, снизить процент брака, улучшить условия труда, решить проблему расширения сырьевой базы для строительства в среднеазиатском регионе. Обосновано новое направление в создании оборудования для комплексной переработки растительного сырья.
На основе исследований и рекомендаций автора разработана производственная технологическая инструкция по изготовлению конструкционных плит из отходов местного растительного сырья, технические условия на армированные конструкционно-теплоизоляционные плиты (АКПр) и армированные плиты пола (АПТв), даны рекомендации по применению их в строительстве, производстве мебели и как товаров народного потребления.
Положения, выдвигаемые на защиту
Поскольку процессы структурообразования формирования плит из дискретных анизотропных частиц растительного сырья учитывают характер совместного взаимодействия между элементами трехфазного композита, то закономерности формирования плит рассматриваются с позиции физико-химической механики композиционных материалов, научного направления, сформированного в основополагающих трудах П.А. Ребиндера, С.Г. Лехницкого, А.Л. Рабиновича, Ю.М. Тарнополь-ского, М.Я. Леонова, А.И. Лясса, В.В. Болотина. При этом учитывались структурно-механические факторы, позволяющие прогнозировать свойства вновь создаваемых сложных композиций:
дисперсность измельченных стеблей растительного сырья, характеризуемая породой древесины, сортом хлопчатника, табака, фракционным составом частиц, формами и геометрическими размерами, видом распределения частиц и армирущих добавок;
влажность исходного растительного сырья при его дроблении и фракционировании его в технологическом процессе;
конструкция плиты, характеризуемая объемным соотношением фракций различной дисперсности и плотности;
физико-механические свойства сложной композиции сырья;
степень контактности частиц полидисперсной системы, склееных связующим по площадям взаимных контактов;
прочность отдельных контактов структурных элементов и армирующих добавок с учетом ориентации частиц и действующих нагрузок;
взаимное расположение частиц и лубяного волокна в плоскости плиты с учетом специфического строения стеблей;
- технологические параметры процессов формирования плит.
Методы экспериментальных исследований, позволяющих
качественно и количественно оценить степень влияния перечисленных выше факторов на формирование плит, позволили обосновать отличительные особенности структурообразования плит от традиционных древесностружечных в технологическом процессе производства их, а также получить необходимые экспериментально-теоретические зависимости для разработки математических моделей построения технологических процессов для плит из растительного сырья с заранее заданными свойствами.
К этим методам относятся:
стереометрическое определение параметров структуры распределения дисперсной фазы в композите из многокомпонентного сырья;
фотометрирование зоны контактов частиц процессов формирования плит на основе люминесцентной печати;
- определение коэффициента структуры стружечного пакета с
учетом содержания лубяного волокна в зависимости от сорта стеблей;
исследования структуры композиционных плит в растровой электронной микроскопии (РЭМ);
физико-химический метод экстрагирования для определения изменения химических свойств стеблей хлопчатника в технологическом процессе;
оценка стойкости и прогноза долговечности плит из растительного сырья.
Практические рекомендации, направленные на варьирование процессов формирования сложного сырьевого состава плит с заданными свойствами.
Математические модели, определяющие области построения технологических процессов формирования плит из отходов растениеводства в зависимости от производственных факторов.
Апробация полученных результатов. Основные результаты исследо-. ваний диссертации, отдельные ее разделы были заслушаны, обсуждены и получили одобрение научно-технической общественностью: ежегодных Всесоюзных научно-технической конференциях в г.
Челябинске по целевой направленности разработок строительных конструкций из эффективных местных и модифицированных материалов и отходов производства в 1982-94 г.г., на Всесоюзной конференции по композиционным материалам в г. Ташкенте в 1983 г., г. Новосибирске - 1983-92 г.г., г. Красноярске - 1986 г., г. Ивано-Франковске - 1987 г., г. Владимире - 1988 г., г. Риге - 1984 г., г. Ленинграде, ЛТА в 1986-1990 г.г.; Всесоюзном совещании в г. Бишкеке - 1986 г.; Международной конференции в г. Москве в 1990 году, республиканских научно-технических конференциях в г. Бишкеке 1982-96 г.г., г. Коканде Узбекистана - 1986 г., г. Ташкенте - 1987-90 г.г. Результаты работы и экспонаты композиционных плит неоднократно демонстрировались на ВДНХ СССР и Кыргызской республики, в 1988 г. - бронзовая медаль ВДНХ СССР, на ярмарке Среднеазиатского региона в 1990 г., на международной выставке в г. Багдаде (Ирак) в 1989 г., в г. Сеуле (Корея). -в 1993 году, на 2-ом международном симпозиуме в г. Одессе - 1995 году. Интерес, проявленный к содержанию докладов отражен в рекомендациях, которые предлагают промышленности широкое применение полученных научных результатов. Результаты экспонирования новых плит вызвали интерес отечественных предприятий и зарубежных фирм в Ираке, ФРГ, Индии, Корее. Промышленная провека основных научных положений и внедрение результатов исследований в народном хозяйстве проведены в 1982-94 г.г. на предприятиях НПО "Кыргызаилкурулуш" (Главкиргизагропромстрой), Госстроя Кыргызской Республики, деревообрабатывающих предприятиях в г. Бишкек, г. Джалал-Абад, г. Ош, НПО "Универсал", а также использованы в учебном процессе при изучении дисциплины "Конструкции из дерева и пластмасс". Опубликовано: учебное пособие, книга, производственная инструкция по изготовлению плит и ТУ 10-89.01.02-89.
Теоретические положения диссертации подтверждены лабораторными и производственными исследованиями, которые проводились в рамках Общесоюзной научно-технической программы "Разработка научнообоснованных предложений и исследование рациональных типов строительных конструкций , обладающих высокой сейсмостойкостью и имеющих оптимальную материалоемкость" (1982-86 г.г.), раздел 6.4.2., и "Разработка теоретических основ расчета на прочность деформируемых тел и сред" раздел 1.9 (1985-91 г.г.), республиканской научно-исследовательской программы "Стройпрогресс" (1992-97 г.г.), под руководством автора в лабораториях Бишкекского политехнического и Кыргызского архитектурно-строительного институтов по плановой тематике кафедры металических и полимерных конструкций, с участием кафедры полимерных и теплоизоляционных материа-
лов Новосибирской Государственной академии строительства (шифр 0.29.10, 0.28.90, 0.74.03, № Госрегистрации - 01880089917, 01880002184 и 01825005555).
Экономический эффект от внедрения разработанного способа получения плит из растительного сырья и рекомендации по применению их в строительстве составляет в ценах 1984 г. около 800 тыс. рублей.
Публикации: Основные результаты исследований опубликованы в научных работах, включающих монографию, статьи, учебное пособие, брошюры.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Текстовая часть изложена на 322 страницах и приложений на 39 страницах. В работе содержится 47 таблиц, 93 рисунка, список литературы насчитывает 156 наименований, в том числе 13 на иностранных языках.
Научные консультанты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Новосибирской Государственной академии строительства Хрулев В.М.; доктор физико-математических наук, академик НАН Кыргызской РеспубликиІМ.Я. Леонов
