Использование древесных отходов и местного техногенного сырья в составах композитов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Деревообрабатывающая промышленность
Издательство:
Воронежский государственный лесотехнический университет
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 196
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7994-0752-0
Артикул: 656807.01.99
В монографии рассмотрен широкий круг вопросов, посвященных использованию дисперсных древесных наполнителей и вторичных полимеров в композитах; исследованию закономерности формирования структуры древесных композитов; изучению физико-механических и других свойств получаемых композитов с целью оптимизации их состава и конструктивно-технологических параметров процесса переработки; созданию новых древесно-минерально-полимерных изделий, изучению их эксплуатационных свойств и определению областей рационального использования.
Монография предназначена для научных работников, специализирующихся в области получения и изучения свойств древесных композиционных материалов, а также будет полезна студентам старших курсов, магистрам и аспирантам.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 35.00.00: СЕЛЬСКОЕ, ЛЕСНОЕ И РЫБНОЕ ХОЗЯЙСТВО
- ВО - Бакалавриат
- 35.03.02: Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.Ф. МОРОЗОВА» Т.Н. Стородубцева А.А. Аксомитный ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ И МЕСТНОГО ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ В СОСТАВАХ КОМПОЗИТОВ Монография Воронеж 2016
УДК 674.8:620 С82 Печатается по решению научно-технического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № 2 от 3 июня 2016 г.) Рецензенты: кафедра электротехники и автоматики ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ; д-р техн. наук, проф. В.К. Астанин Стородубцева, Т. Н. С82 Использование древесных отходов и местного техногенного сырья в составах композитов [Текст] : монография / Т. Н. Стородубцева, А. А. Аксомитный ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 196 с. ISBN 978-5-7994-0752-0 (в пер.) В монографии рассмотрен широкий круг вопросов, посвященных использованию дисперсных древесных наполнителей и вторичных полимеров в композитах; исследованию закономерности формирования структуры древесных композитов; изучению физикомеханических и других свойств получаемых композитов с целью оптимизации их состава и конструктивно-технологических параметров процесса переработки; созданию новых древесно-минерально-полимерных изделий, изучению их эксплуатационных свойств и определению областей рационального использования. Монография предназначена для научных работников, специализирующихся в области получения и изучения свойств древесных композиционных материалов, а также будет полезна студентам старших курсов, магистрам и аспирантам. УДК 674.8:620 Стородубцева Т. Н., Аксомитный А. А., 2016 ISBN 978-5-7994-0752-0 ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2016
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………… 6 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ….. 12 1.1. Композиционные материалы на основе промышленных отходов…………………………………………………………… 12 1.2. Армирующий заполнитель на основе отходов древесины…… 25 1.3. Древесные отходы, применяемые в производстве композиционных материалов…………………………………… 29 1.4. Процесс изменения механических характеристик элементов композита в зависимости от температуры…………………… 31 1.5. Формирование механических характеристик и макроструктуры композита в зависимости от синергетических эффектов взаимодействия его компонентов ……………………………………………………. 38 1.6. Современные представления о теоретических основах процесса модификации древесины…………………………….. 45 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДРЕВЕСНОГО ПОЛИМЕР ПЕСЧАНОГО КОМПОЗИТА…………………………………... 49 2.1. Влияние концентрации древесины, полимера и песка на прочностные свойства ДППК………………………………….. 65 2.2. Механические свойства древесины с полимер-песчаным покрытием……………………………………………………….. 73 2.3. Влияние толщины покрытия на прочностные характеристики ДППК……………………………………………………............... 76 2.4. Исследование адгезионной прочности между древесиной и полимерным покрытием влияния на предел прочности при изгибе ………………………………………………………. 79
2.5. Влияние состава полимер-песчаного покрытия на прочность, хрупкость и величину адгезии к древесине …………………… 81 2.6. Влияние степени фрагментированности древесины на прочностные свойства ДППП…………………………………... 82 2.7. Моделирование сложного напряженного состояния древесины и полимерной матрицы……………………………. 89 3. ИЗДЕЛИЯ И КОНСТРУКЦИИ В ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА……………………… 99 3.1. Изделия с использованием древесины и промышленных отходов…………………………………………………………… 99 3.2. Решение оптимизационной задачи определения свойств материала композиционной шпалы …………………………… 114 3.3. Исследования по выбору составов для защиты древесины от воды…………………………………………………………… 120 3.4. Методика испытаний древесного полимерного композиционного материала на длительную прочность при постоянной температуре и влажности …………………… 129 3.5. Методика проведения испытаний по определению адгезионной прочности соединения «древесина полимер»……................................................................................. 132 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ДРЕВЕСНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ…………………………………………………. 136 4.1. Влияние обработки модификатором древесного наполнителя на водопоглощение композита………………….. 136 4.2. Влияние обработки модификатором древесного наполнителя на адгезионную прочность соединения полимер-древесина……………………………………………… 142
4.3. Испытания композита со связующим на основе метилметакрилата……………………………………………….. 151 4.4. Технологическое воздействие на древесный заполнитель в композиционном материале…………………………………... 163 4.5. Применение гидрофобизирующих и модифицирующих составов для пропитки древесного армирующего заполнителя………………………………………………………. 169 ВЫВОДЫ………………………………………………………… 182 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………….. 184
ВВЕДЕНИЕ Начать хотелось бы словами Владимира Владимировича Путина, которыми он открыл совещание по вопросу стимулирования переработки отходов производства и потребления в середине прошлого года: «Мы сегодня поговорим по проблеме, казалось бы, достаточно примитивной и утилитарной, в прямом и переносном смысле этого слова, поговорим об утилизации отходов. Между тем, это важнейшая проблема и для решения проблем, связанных с экологией, это безопасность для граждан, это качество жизни миллионов людей...». Согласно данным, приведенным на совещании, объем накопленных отходов в России составляет около 90 миллиардов тонн. Большая часть из них не имеет собственника. По данным на февраль 2014 года, объем заготавливаемой древесины в России составляет 200 млн кубометров в год. При переработке древесины на пиломатериалы выход продукции в среднем определяется в 65 %, а 35 % составляют отходы в виде горбыля (14 %), опилок (12 %), срезок и мелочи (9 %) (рис. 1). Древесина – это универсальный и общедоступный материал. Ни для кого не секрет, что она имеет довольно ограниченный срок службы и очень подвержена воздействию всевозможных агрессивных природных факторов. В результате изготовления изделий из нее образуется большое количество отходов в виде стружки и опилок, щепы и т. д. К тому же она имеет высокую себестоимость. Именно этим объясняется желание людей найти заменитель древесины, схожий по свойствам, но превосходящий ее по качеству. Уверенно можно сказать, что в качестве такого заменителя может выступать только композиционный материал (КМ). КМ представляют собой многофазные системы, состоящие из двух или более мономатериалов с различными свойствами.
Вследствие рационального сочетания нескольких исходных компонентов образуются новые материалы с заданными свойствами, не присущими исходным компонентам, но сохранившие, в то же время, индивидуальные особенности каждого из них [1]. Один из компонентов, обладающий непрерыв ностью по всему объему, является матрицей. Другой компонент – прерывный, разделенный в объеме ком 65 % – деловая древесина; 14 % – горбыль, рейки; 12 % – опилки; 6 % – кора, срезки, мелочь Рис. 1. Процентное соотношение деловой древесины и отходов при распиле бревен позиции, считается упрочняющим, или армирующим. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, параметры технических процессов и т. д. Компоненты композиционных материалов должны обладать хорошей совместимостью. Это относится не только к прочности сцепления (адгезии) между разными составляющими, но и к ряду других свойств [1].
Цель создания КМ – улучшение механических, теплофизических или иных свойств по сравнению со свойствами исходных компонентов, а также повышение химической стойкости, долговечности и т. п. или снижение себестоимости материалов, в том числе и за счет применения различных отходов. Отходы – вещества (или смеси веществ), признанные непригодными для дальнейшего использования в рамках имеющихся технологий или после бытового использования продукции [2]. Настоящая работа посвящена созданию композитов на основе вторичных полимеров и дисперсных древесных наполнителей, состоящих из отходов лесной промышленности; исследованию закономерности формирования структуры этих композитов; изучению физико-механических и других свойств получаемых композитов с целью оптимизации их состава и конструктивно технологических параметров процесса переработки; созданию новых древесно минерально-полимерных изделий, изучению их эксплуатационных свойств и определению областей рационального использования. В основе развития производства композиционных материалов находится выпуск конкурентоспособной продукции широкого ассортимента в объемах, обеспечивающих потребности внутреннего рынка России, а также экспорта продукции. Данное направление в полной мере соответствует государственной внешнеэкономической политике (в связи со вступлением в ВТО) и является основным направлением развития лесопромышленного комплекса. В настоящее время перед отечественным производством древесных композиционных материалов стоят задачи по восстановлению и увеличению объемов производства, повышению качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции, организации эффективной переработки образующихся отходов. Решение этих задач основано на разработке новых и совершенствовании имеющихся технологий современного производства композиционных материалов. Основным путем повышения эффективности производства
композиционных материалов является разработка ресурсосберегающих технологий, предусматривающих использование древесных промышленных отходов. Актуальность работы определяется двумя основными критериями: - во-первых, наличием огромного количества зачастую брошенных отходов лесозаготовительной и деревоперерабатывающей промышленности, а также бытовых отходов в виде пластиковых бутылок (рис. 2); - во-вторых, перспективностью создания на основе этих отходов нового композиционного конструкционного материала для замены им традиционных – древесины и железобетона. Наибольший сегмент рынка на данный момент занимают изделия из бетона, железобетона и древесины. Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании и разработке ресурсосберегающей технологии создания новых видов древесных композиционных материалов на основе древесных отходов и полимерных вяжущих. Техническая значимость работы заключается в создании экологически чистого материала; разработке оптимальных составов древесного композиционного материала; выполнении опытно-экспериментальной проверки новых технических решений; повышении прочностных характеристик композиционных материалов на основе древесных отходов; повышении водо- и биостойкости, улучшении физико-механических свойств КМ.
а) в) б) г) Рис. 2. Виды отходов: а – щепа, б – стружка, в – флексы, г – пластиковая тара (бутылки) Цель работы состоит в разработке ресурсосберегающих технологий производства древесно-наполненных композитов на основе полимерных вяжущих путем модификации структуры и состава древесного наполнителя (возможно, и полимерной матрицы) физико-химическими методами. В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи: 1. Анализ существующих способов обработки древесного наполнителя, а также обзор современного состояния композиционных материалов на основе древесины;
2. Модификация древесины, направленная на снижение водопоглощения; 3. Экспериментальная оценка воздействия способа охлаждения готовых изделий из ДППК (древесный полимер-песчаный композит) на физические свойства, химический состав и структуру древесного наполнителя; 4. Разработка математической модели, позволяющей прогнозировать прочностные свойства композиционного материала на основе древесных частиц и полимерного вяжущего в зависимости от рецептуры, а также режимов обработки древесного сырья; 5. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологических процессов производства древесных композиционных материалов, обеспечивающих повышение экономической эффективности производства вследствие улучшения физико-механических характеристик продукции и возможности придания композитам специальных свойств; 6. Возможность использования древесных полимер-песчаных композиционных материалов в транспортном строительстве.
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ 1.1. Композиционные материалы на основе промышленных отходов Сложившаяся ситуация в области образования, накопления, использова ния, хранения и утилизации отходов промышленного производства ведет к опасному загрязнению окружающей среды, нерациональному использованию природных ресурсов и, как следствие, к значительному экономическому ущер бу. Отходы лесопиления и деревообработки в лучшем случае просто сжигают ся, в худшем – сваливаются в непосредственной близости от предприятия, не благоприятно воздействуя на экологическую обстановку и нарушая естествен ный баланс в локальной экосистеме. Как уже отмечалось ранее, перспективным способом утилизации отходов является использование их в качестве наполни теля композиционных материалов. В настоящее время из заготовляемой древесины у нас вырабатывается продукции значительно меньше, чем в некоторых европейских странах. На производство 1 м3 пиломатериалов нашими лесозаготовителями от пускается около 1,5 м3 деловой древесины, на 1 м3 клееной фанеры и тарного комплекта расходуется по 2,5 м3 сырья [3]. В связи с небольшим выходом полезной продукции из 1 м3 деловой дре весины на предприятиях скапливается значительное количество отходов. Раз личные торгующие организации выбрасывают каждый год около 2 млн м3 де ревянной тары, не подлежащей восстановительному ремонту. В настоящее время только незначительную часть указанных отходов ис пользуют на технологические нужды, главным образом, в гидролизной и цел люлозно-бумажной промышленности, при производстве древесноволокнистых и древесностружечных плит, а также некоторых видов строительных материа
лов и изделий. Остальные отходы уничтожают без всякой пользы для народно го хозяйства. В то же время более полное использование отходов для нужд строитель ства, как основного потребителя продукции из древесины, способствовало бы повышению эффективности ее использования, сокращению дефицита различ ных строительных материалов, снижению стоимости строительства и расходов, связанных с ликвидацией отходов. Передовой отечественный и зарубежный опыт показывает, что кусковые отходы от деревообработки, лесопиления и лесозаготовок, стружка, опилки, кора, а также некоторые отходы производства лесохимической промышленно сти – прекрасное сырье для изготовления различных конструктивно теплоизоляционных и отделочных строительных материалов и изделий для стен, перекрытий, полов, кровли, а также для стандартного домостроения и ме бельной промышленности. По своим качествам и стоимости изготовления продукция из древесных отходов не уступает широко применяемым в настоящее время в строительстве материалам и изделиям из железобетона, натуральной древесины, пластмасс и т. д., а по некоторым технико-экономическим показателям даже превосходит их. К первой группе относится заготовка лесных материалов в круглом виде, используемых без дальнейшей обработки в строительстве, а также как про мышленное сырье при первичной обработке древесины или как топливо. Все части древесных стволов, которые по размерам или качеству не могут быть использованы для получения указанной выше продукции, являются лесо сечными отходами. Объем указанных отходов составляет в среднем 21 % от всей массы древесины на корню. Ко второй группе относятся производства, для которых сырьем служит древесина в круглом виде. Продукция первичной обработки и переработки дре весины – пиломатериалы, являющиеся в свою очередь сырьем для промышлен