WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 |

Совершенствование технологии производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УГРЮМОВ Сергей Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ

И КОСТРЫ ЛЬНА

05.21.05 – Древесиноведение, технология и

оборудование деревообработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва

2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кириллов Алексей Николаевич

доктор технических наук,

профессор Глухих Виктор Владимирович

доктор технических наук,

профессор Сергеевичев Владимир Васильевич

Ведущая организация: ЗАО «Научно-исследовательский институт

ВНИИДРЕВ»

Защита состоится 15 мая 2009 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при Московском государственном университете леса по адресу: 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета леса.

Автореферат разослан «___»_________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.146.03

доктор технических наук, профессор Б.М. Рыбин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Основой развития и совершенствования производства композиционных материалов является выпуск конкурентоспособной продукции широкого ассортимента и в объемах, обеспечивающих потребности внутреннего рынка России, а также экспорта продукции. Данное направление в полной мере соответствует государственной политике во внешнеэкономической сфере (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, снижению токсичности и материалоемкости производства клееной продукции, организации эффективной переработки образующихся отходов. Решение этих задач основано на разработке новых и совершенствовании имеющихся технологий современного производства композиционных материалов.

Основной путь повышения эффективности производства композиционных материалов – разработка ресурсосберегающих технологий, предусматривающих использование всех возможных отходов лесопиления, деревообработки, лесозаготовок, и перерабатывающих производств сельского хозяйства. Отходы переработки сельскохозяйственных культур (льна, конопли, зерновых культур и т.п.) могут являться дешевым сырьем для производства плит и других прессованных материалов высокого качества. В существующей практике дискретные сельскохозяйственные отходы (в том числе, костра льна) сжигаются для производства тепловой энергии или вывозятся на поля запахивания. В то же время проблемам углубленной переработки льна и эффективной утилизации отходов льнопроизводства в настоящее время уделяется серьезное внимание на государственном уровне. В соответствии с концепцией «Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и на дальнейшую перспективу» глубокая переработка льна входит самостоятельным блоком в Перечень «критических технологий» (поз. 49) – области отечественных технологических разработок, на реализацию которых должна быть сделана основная ставка отечественных государственных и частных инвесторов.

Главными причинами ограниченного применения отходов сельского хозяйства в плитном производстве являются: отсутствие специализированных мощностей по их переработке, нерациональное расположение и разбросанность источников образования отходов. Сбор и транспортирование отходов на крупные предприятия зачастую затруднены и экономически невыгодны. Решение проблемы более полного вовлечения сельскохозяйственных отходов в промышленное производство возможно путем создания наряду с крупными предприятиями малых производств по выпуску плитных материалов. Это позволит увеличить выпуск материалов для строительства и мебельного производства, снизить затраты на перевозку сырья, утилизацию и сжигание отходов, улучшить экологическую обстановку.

Для разработки и обоснования технологии производства композитов с использованием костры необходим научный подход к проблеме склеивания, базирующийся на использовании теорий адгезии, поверхностных явлений и смачивания с учетом теоретических основ коллоидной химии и реологии полимеров. Теоретическими вопросами смачивания, адгезии и формирования клеевых соединений занимались российские и зарубежные ученые: А. Адамсон, Н.К. Адам, В.И.Азаров, В.Е. Басин, А.А. Берлин, Ю.В. Горюнов, С. Грег, Б.В. Дерягин, Н.А. Кротова, В.П. Смилга, А.Д. Зимон, В.Д. Кузнецов, Ю.Г. Фролов, А.А.Леонович, А.А. Лопаткин, Р.Р. Майерс, А.М. Михайлов, А.С. Фрейдин, В.Е. Цветков и др. На основании проведенного анализа научных трудов в области создания композиционных материалов следует вывод, что на сегодняшний день в отечественной науке отсутствует теоретическое обоснование создания клеевых соединений специального адгезионного назначения (для производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна). Поэтому развитие теории композиционных материалов в данном направлении с разработкой рекомендаций по модификации клеевых составов является актуальной научной задачей, что и определило выбор темы настоящего диссертационного исследования.

Цель работы – научное обоснование и разработка ресурсосберегающей технологии создания новых видов композиционных материалов на основе древесных наполнителей, костры льна и синтетических олигомеров.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, отражающие логику диссертационного исследования:

  1. Проведение системного анализа и синтеза проблемы повышения эффективности функционирования производства композиционных древесных материалов, включающего исследование структурных объектов и элементов производства композитов с применением инженерно-технического инструментария и оценку эффективности функционирования производства композиционных материалов.
  2. Исследование и обоснование основных закономерностей явлений смачивания, адгезии, поверхностных явлений и формирования клеевых соединений в структуре композиционных материалов на основе целлюлозосодержащих наполнителей и клеевых составов на основе синтетических олигомеров.
  3. Экспериментальная оценка термодинамических свойств и их влияния на процесс склеивания древесных наполнителей и костры льна связующими на основе синтетических олигомеров.
  4. Разработка практических рекомендаций по повышению смачивающей способности традиционных синтетических олигомеров по отношению к костре льна и направленному изменению физико-химических свойств клеевых композиций. Подбор рецептур модифицированных клеевых композиций, обеспечивающих полное смачивание и равномерное осмоление частиц костры, высокие адгезионные свойства и качество готовой продукции.
  5. Экспериментальное определение реологических свойств древесных наполнителей, костры льна и модифицированных клеевых составов. Оценка совместимости клеев и костры льна с точки зрения сопоставимости их реологических характеристик.
  6. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологических процессов производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна, обеспечивающих: снижение материалоемкости и повышение экономической эффективности производства, улучшение физико-механических характеристик продукции и экологичности ее производства, возможность придания композиционным материалам специальных свойств.
  7. Разработка технологий производства композиционных материалов на основе костры льна, рациональных режимов и технологических инструкций их производства с учетом оценки влияния основных технологических факторов на свойства этих композиционных материалов.

Объектом исследования является производство композиционных материалов, включающих древесные наполнители.

Предметом исследования является технология производства композиционных материалов конструкционного назначения на основе древесных наполнителей, костры льна и синтетических олигомеров.

Методологической основой диссертационного исследования послужили методы системного анализа и синтеза, теории смачивания, адсорбции и адгезии жидкостей по отношению к твердым телам, теории факторного эксперимента и регрессионного анализа, математические методы статистического анализа. Поставленные задачи решались с применением современных компьютерных систем автоматического проектирования, графических и вычислительных программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях по принятым методикам и планам экспериментов.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы заключается в теоретическом обосновании и разработке ресурсосберегающей технологии создания новых видов композиционных материалов на основе древесных наполнителей, костры льна и синтетических олигомеров.

Научная новизна состоит в следующем:

  1. Проведен целостный анализ эффективности функционирования производства композиционных древесных материалов, его структурных объектов и элементов с применением инженерно-технического инструментария, на основании которого сформулированы цели, задачи и направления повышения эффективности функционирования производства новых видов композиционных материалов.
  2. Разработана методика определения смачивающей способности и определения поверхностного натяжения основных компонентов новых видов композиционных материалов.
  3. Исследованы процессы смачивания, адгезии и поверхностные явления применительно к производству новых композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна, в результате чего разработаны рецептуры клеевых композиций на основе традиционных синтетических олигомеров с введением в их состав модификаторов с целью повышения их смачивающей способности и адгезионных свойств.
  4. Проведена оценка смачивающей способности модифицированных олигомеров и реологических характеристик отвержденных модифицированных олигомеров. Изучена совместимость предложенных клеевых композиций и основных наполнителей новых композиционных материалов с точки зрения сопоставимости их реологических характеристик.
  5. Определено влияние основных технологических факторов на физико-механические характеристики новых композиционных материалов.
  6. Разработаны математические модели влияния основных технологических факторов на свойства композиционных материалов на основе костры льна. Рекомендованы рациональные технологические режимы их производства на основе математической обработки результатов экспериментальных планов.
  7. Разработаны организационные, технические и технологические рекомендации по совершенствованию технологических процессов производства новых композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна.

Основные научные положения, выносимые на защиту можно классифицировать как научно обоснованные организационные, технические и технологические решения, направленные на разработку ресурсосберегающей технологии создания новых видов композиционных материалов на основе древесных наполнителей, костры льна и синтетических олигомеров. Внедрение этих положений вносит значительный вклад в решение проблем функционирования и развития организации производства композиционных материалов, а также повышения конкурентоспособности продукции.

Указанные положения включают:

  1. Концепцию повышения эффективности производства композиционных древесных материалов.
  2. Теоретические закономерности явлений смачивания, адгезии, поверхностных явлений и формирования клеевых соединений в структуре новых композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна.
  3. Теоретические и практические результаты исследований, направленных на повышение смачивающей способности синтетических олигомеров по отношению к костре льна.
  4. Результаты исследований термодинамических явлений и их влияния на процесс склеивания древесных наполнителей и костры льна клеевыми составами на основе синтетических олигомеров.
  5. Результаты исследований по модификации синтетических олигомеров применительно к производству композиционных материалов на основе костры льна, оценке свойств готовой продукции.
  6. Математические модели, оценивающие влияние основных технологических факторов на свойства композиционных материалов на основе костры льна.
  7. Рекомендации по организации технологических процессов производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна, включающие обоснованные рациональные технологические режимы и технологические инструкции.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке ресурсосберегающей технологии производства новых композиционных древесных материалов, позволяющей повысить качество и конкурентоспособность продукции из этих материалов. При этом использование отходов деревообработки и первичной переработки льна приводит к повышению экономической эффективности дерево-обрабатывающей, а также текстильной (льняной) отраслей промышленности.

Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на ОАО «Фанплит», г. Кострома, ОАО «Мантуровский фанерный комбинат».

Теоретические положения производства композиционных материалов на основе различных наполнителей и методики экспериментальных исследований, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология клееных материалов и древесных плит», «Технология композиционных материалов», «Технология полимеров».

Апробация результатов диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в докладах автора на международных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» в 1996, 1998, 2002, 2004 гг. (г.Кострома); «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона» в 2006, 2008 гг. (г. Кострома); «Композиционные материалы на основе древесины» в 2000 г. (г. Москва); «Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века» в 2000 г. (г. Брянск); «Актуальные проблемы лесного комплекса» в 2005, 2006, 2007, 2008 гг. (г. Брянск); «Рациональное использование лесных ресурсов» в 2001 г. (г. Йошкар-Ола); «Молодежь и научно-технический прогресс» в 2007 г. (г. Владивосток); на всероссийских научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» в 2004, 2007 гг. (г. Вологда); «Студенты и молодые ученые университета – развитию науки и производства Костромской области» в 1999, 2000, 2001, 2006, 2007, 2008 гг. (г. Кострома); «Вузовская наука – региону» в 2008 г. (г.Вологда).

Материалы диссертации доложены и обсуждены на профессорских семинарах Костромского государственного технологического университета в 2006, 2007, 2008 гг.; семинаре Координационного совета по древесиноведению (г. Москва) в 2008 г.; на расширенном заседании кафедры механической технологии древесины Костромского государственного технологического университета, на заседании кафедры технологии производства древесных плит и пластиков Московского государственного университета леса в 2006, 2007, 2008 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 104 работы, в том числе 1 монография, 24 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 37 статей в рецензируемых журналах и сборниках научных трудов, 3 патента на изобретения, 2 учебных пособия с грифом УМО, 5 отчетов по НИР. Общий объем публикаций – 57,5 п.л., из них авторских – 37,5 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, содержит 288 страниц основного машинописного текста. Библиографический список включает 261 наименований. В приложении на 84 страницах приведены материалы научно-технической документации и акты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, охарактеризована степень разработанности проблемы в научной литературе, теоретико-методологическая основа, определены объект и предмет исследования, сформулированы его цели и задачи, новизна научных результатов и практическая значимость исследования, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе «Разработка концепции развития производства композиционных материалов» дан анализ современного состояния и перспектив развития производства композиционных материалов и намечены основные пути повышения эффективности его функционирования путем вовлечения отходов льнопереработки – костры льна.

Производство композиционных материалов позволяет эффективно использовать отходы производства, снижая, таким образом, себестоимость продукции и способствуя рациональному расходованию древесных ресурсов.

Объемы мирового производства и потребления пиломатериалов и изделий из натуральной древесины возрастают с каждым годом, соответственно увеличиваются объемы заготовки древесины. В связи с длительностью роста товарной древесины возобновляемость лесных ресурсов не во всех районах успевает за вырубкой, поэтому возникает необходимость в исследовании источников восполнения сырьевой базы. Россия обладает огромными древесными ресурсами. Однако основная их часть расположена в районах Сибири и Дальнего Востока. В то же время перерабатывающая промышленность в основном сосредоточена на территории Центральной России. Поэтому проблема поиска доступного и дешевого сырья для производства композиционных материалов в последние годы стоит весьма остро. Ее решению может способствовать широкое вовлечение в производство композитов недревесного сырья. В связи с этим мы рассматриваем отходы льнопроизводства, источниками которых являются льноперерабатывающие заводы, сосредоточенные главным образом в Центральном регионе.

В России производством и переработкой льна занимается около 2000 сельскохозяйственных предприятий, 67 льносеменоводческих станций, 255 льнозаводов, более 50 текстильных предприятий, расположенных в 36 регионах страны. В настоящее время проблемы углубленной переработки льна и эффективной утилизации образующихся отходов льнопроизводства особо актуальны, поскольку на региональных и государственном уровнях намечены существенные инвестиционные вложения в льноперерабатывающую отрасль. Современная переработка льна является областью «критических технологий» прежде всего по причине широкой сферы применения продуктов переработки льна и высокой ценности этих продуктов. На государственном уровне запланирован существенный рост производства льноволокна в России. Так, по данным департамента агропромышленного комплекса Костромской области, намечено увеличение посевных площадей, занятых льном, с 2 тыс. га в 2006 г. до 5 тыс. га в 2008 г. и до 15 тыс. га на период до 2010 г. Основная проблемная задача состоит не просто в наращивании объемов переработки льна, а в создании новых технологий, позволяющих использовать большое количество его ценных компонентов, входящих и в состав отходов производства.

Организация промышленного производства принципиально новой продукции из ранее не используемых отходов льнопроизводства – грубого волокна, очеса и костры – позволит значительно сократить экологический вред от вырубки лесов, расширить ассортимент выпускаемой продукции, снизить или устранить зависимость от импорта при производстве стратегически важной продукции.

Костра льна пригодна для переработки в материалы различного назначения, что обусловлено особенностями ее физико-химического строения и дешевизной. При этом наибольший эффект от переработки костры достигается при производстве на ее основе композиционных материалов, которые могут использоваться в строительстве и мебельной промышленности для создания конструкционных элементов. Эффективность применения костры льна в качестве наполнителя композиционных материалов обусловлена рядом ее положительных анатомических, химических и размерно-качественных свойств, а именно:

- льняная костра содержит много стойких химических соединений – лигнин, целлюлоза, высокополимерные пентозаны. Во льне содержится до 65 % целлюлозы, при этом в древесной части стебля льна, то есть в костре содержится примерно 45% целлюлозы;

- частицы костры образуют фракцию, пригодную для использования в плитном производстве без дополнительной механической обработки;

- частицы костры способны склеиваться, поскольку в состав костры входит как основной компонент, целлюлоза. В костре древесные волокна расположены параллельно длине частиц, чего не наблюдается у других видов сырья. Костра имеет гладкую малопористую поверхность, изолированную водонепроницаемой кутикулой, поэтому при склеивании ее частиц требуется немного смоляного клея. Толщина отдельных костринок незначительна, что позволяет получать плиты с гладкой поверхностью без дополнительной обработки (шлифования) или с незначительной обработкой. Малая толщина частиц костры способствует более плотной их упаковке с минимальным содержанием воздушных пустот, образованию большого количества клеевых мостов, что положительно сказывается на прочностных показателях композиционного материала;

- стоимость костры как сырья гораздо ниже стоимости древесины, поэтому с экономической точки зрения использование костры будет способствовать снижению цены на готовые плиты;

- с технологической точки зрения использование костры позволит уменьшить затраты на производство плит за счет изменений в технологическом процессе. На стадии подготовки сырья костра не требует дополнительного измельчения, поскольку размеры частиц соответствуют требованиям для производства плит. Костра реализуется льноперерабатывающими предприятиями с начальной влажностью 12–30%, что позволяет снизить затраты на сушку по сравнению с затратами на сушку древесных частиц;

- костра образуется на льноперерабатывающих предприятиях ежегодно, в отличие от деловой древесины, для созревания которой требуются десятки лет. Сбор урожая льна и его переработка происходит осенью, то есть в тот годовой период, когда сокращаются объемы заготовки древесины в связи с трудностями ее транспортировки. Поэтому осенняя переработка образующейся костры в производстве клееных композиционных материалов позволяет компенсировать дефицит древесного сырья.

Актуальность использования костры в производстве плитных материалов обусловлена кроме того тем, что в настоящее время наблюдается значительный рост производства и переработки льна в связи с повышенным интересом к производству льняных тканей и одежды, обладающих высокими экологическими и гигиеническими свойствами.

Практика применения отходов льнопроизводства показывает, что эксплуатационные характеристики плитных композиционных материалов на основе костры, изготавливаемых по традиционным технологиям, уступают соответствующим характеристикам древесных плит. Поэтому необходимо определить технологические и организационные направления, позволяющие улучшить качество готовых материалов, тем самым расширить область их использования и конкурентоспособность.

Во второй главе «Системный анализ производства композиционных материалов» рассмотрена общая концепция повышения эффективности производства древесных композиционных материалов на основе системного подхода и определены организационно-технические мероприятия, направленные на улучшение качества и конкурентоспособности композиционных материалов на основе костры льна и синтетических олигомеров.

Производство композиционных материалов отличается сложностью и многообразием технологических систем, сырья и материалов. Проблема повышения эффективности данного производства состоит в том, что оно должно рассматриваться как система со своей структурой, с учетом различных аспектов – технологических, экономических, экологических, социальных и др. Стратегическая задача повышения эффективности работы отечественного производства композиционных древесных материалов может быть решена путем разработки научных и методологических принципов повышения эффективности использования древесного сырья на основе организации ресурсосбережения, поиска новых конструкций материалов, совершенствования контроля качества продукции, а также развития организационно-экономической базы освоения новой, конкурентоспособной продукции и технологий. В настоящее время перед предприятиями по производству композиционных материалов стоит задача технического и технологического развития, вытекающая из перспектив роста потребления продукции как на внутреннем, так и внешнем рынках, наличия огромного ресурсного потенциала, планируемого вступления России в ВТО, программных мероприятий, намеченных Правительством к реализации в лесопромышленном комплексе. Проблема заключается в несоответствии между сложившейся системой организации использования древесных ресурсов и необходимостью повышения эффективности работы деревообрабатывающих производств в соответствии с экономическими интересами государства. Для решения данной проблемы в области производства древесных композиционных материалов предлагается общая концепция, в основу которой положен системный подход к организации ресурсосбережения (рис. 1).

Реализация общей концепции повышения эффективности производства древесных композиционных материалов предусматривает решение следующих задач:

  • обоснование потенциала ресурсосбережения и разработка организационно-технического механизма его реализации на предприятиях;
  • системный анализ проблемы эффективности использования древесных ресурсов с точки зрения стратегических задач развития экономики России;
  • создание основ рационального лесопользования путем разработки направления использования значительного потенциала отходов льнопроизводства при выпуске композиционных материалов;
  • теоретическое и экспериментальное обоснование использования отходов переработки льна в структуре композиционных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками;
  • разработку новых видов и конструкций композиционных материалов на основе недревесного сырья;
  • научное обоснование и разработка связующих составов для производства композиционных материалов на основе новых видов наполнителей;

Рис. 1. Общая концепция повышения эффективности производства

композиционных материалов

  • организационно-техническое обеспечение производства новых видов продукции;
  • повышение степени безотходности производства на основе использования технического, технологического и энергетического потенциала древесных ресурсов и отходов льнопроизводства.

Решение намеченных задач будет способствовать повышению эффективности отечественных деревообрабатывающей и льноперерабатывающей отраслей промышленности, что позволит России укрепить свои позиции на мировом рынке.

В третьей главе «Методическая часть» приведены характеристики применяемых материалов, оборудование и приборы, используемые в работе, расчетные уравнения и формулы, изложены методики подготовки экспериментальных образцов, определения термодинамических и реологических характеристик, поверхностного натяжения, краевых углов смачивания исследуемых материалов, изготовления экспериментальных образцов композиционных материалов, оценки их физико-механических и экологических свойств. Оценка влияния технологических факторов на свойства композиционных материалов и выбор рациональных режимов их производства осуществлялись путем математической обработки результатов регрессионных планов второго порядка.

В четвертой главе «Разработка рекомендаций по повышению смачивания и адгезии при производстве композиционных материалов» рассмотрены теоретические положения процесса склеивания целлюлозосодержащих наполнителей клеевыми составами на основе синтетических олигомеров и выявлены пути увеличения адгезионного контакта. Основные положения теории адгезии, смачивания и поверхностных явлений применены для выработки мероприятий по улучшению качественных показателей композиционных материалов на основе костры льна и синтетических олигомеров.

Полимерные составы, применяемые при осмолении наполнителей, должны обеспечивать полное смачивание поверхности субстрата, а также межфазный контакт между адгезивом и субстратом и межфазное или адсорбционное взаимодействие на границе двух фаз, то есть на границе полимер – наполнитель. Адгезия определяется взаимодействием на границе раздела фаз. Это взаимодействие зависит от величин, которые обусловливают свойства контактирующих поверхностей, прежде всего – поверхностного натяжения и поверхностной энергии.

Если при нанесении жидкости на твердую поверхность происходит процесс самопроизвольного увеличения площади контакта, имеет место смачивание. Рассмотрим условия смачивания жидкостью твердой поверхности. Если до соприкосновения с подложкой капля жидкости имела поверхность Sк, а поверхность твердой подложки была Sт, то в состоянии равновесия, когда жидкость образует на поверхности тела каплю определенной формы, площадь поверхности соприкосновения капли с подложкой составит Sтж, а площадь поверхности капли Sж. Общая свободная поверхностная энергия в начальный момент составляет

F1 = Sк ж + Sт т, (1)

где ж, ж – поверхностная энергия соответственно жидкости и твердого тела.

В конечный момент, после достижения равновесия, общая свободная поверхностная энергия составит

F2 = Sж ж + Sтж тж. (2)

Необходимое условие самопроизвольного протекания процесса смачивания заключается в том, чтобы происходила убыль свободной поверхностной энергии

F = (F1 – F2) < 0. (3)

Для данного условия смачивания справедливо неравенство

>. (4)

Отсюда следует, что при т > тж происходит увеличение поверхностного соприкосновения жидкости со средой (Sж > Sк). Таким образом, смачивание термодинамически возможно при условии

т > тж. (5)

Равновесие капли жидкости на поверхности твердого тела (без учета шероховатости поверхности и действия силы тяжести) подчиняется уравнению Юнга

т = тж + ж cos, (6)

из которого следует

cos =, (7)

где – краевой угол, или угол смачивания.

Очевидно, при т < тж и cos < 0, то есть когда жидкость не смачивает поверхность, краевой угол должен быть больше 90°. Если угол смачивания меньше 90°, происходит частичное смачивание. При = 0, когда краевой угол не образуется, имеет место полное смачивание, или растекание. Условие растекания жидкости по поверхности твердого тела выражается неравенством

т > ж + тж. (8)

Для оценки адгезионного взаимодействия необходимо применять основные показатели, поддающиеся экспериментальному определению – краевой угол смачивания и поверхностное натяжение жидкости жг. Произведение поверхностного натяжения жидкости и косинуса краевого угла смачивания есть энергия смачивания, или адгезионное напряжение

Wэ = жг · соs. (9)

Чаще взаимодействие жидкости с твердой поверхностью характеризуют работой адгезии, которую необходимо затратить для удаления жидкости от твердого тела. При контакте жидкости с твердой поверхностью свободная поверхностная энергия равна тж, а после разъединения тел она становится равной (жг + тг). Разность между этими величинами есть работа адгезии (уравнение Дпре)

Wа = жг + тг – тж. (10)

Из данного уравнения (10) в сочетании с равенством Юнга (6) получаем

WА = ж (1 + cos ). (11)

Эта зависимость (уравнение Дюпре-Юнга) позволяет оценить величину равновесной работы адгезии жидкости к твердому телу, которую надо затратить для разделения фаз. Данная зависимость носит гипотетический характер, так как в ней присутствует энергетическая составляющая. Учитывая, что теоретически величина поверхностной энергии равна поверхностному натяжению данное уравнение можно привести к удобному для практического использования виду

WА = ж (1 + cos ). (12)

Из уравнений (11,12) следует, что для достижения высокой адгезии необходимо, чтобы поверхностная энергия и поверхностное натяжение жидкости имело большие значения. Также необходимо, чтобы значения поверхностной энергии и поверхностного натяжения субстратов превышали соответствующие характеристики адгезивов, при этом будет обеспечиваться полное и равномерное смачивание

субстрат > адгезив, (13)

субстрат > адгезив. (14)

Высокая прочность сцепления полимерной матрицы с древесиной или с другим целлюлозосодержащим наполнителем является непременным условием создания клееных композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами. Для этого необходима совместная работа древесины и отвержденного клея, то есть прочная связь их поверхностей. Поэтому вопрос о природе взаимодействия по межфазной границе полимер – твердое тело имеет очень важное значение не только с теоретической, но и с практической точек зрения. Для обеспечения необходимой прочности связи на границе раздела фаз необходимо рассмотреть сущность протекающих процессов при склеивании.

С физико-химической точки зрения адгезию определяет действие молекулярных сил на межфазной границе. При производстве композиционных материалов клей, как правило, наносится на поверхность наполнителя в виде раствора, поэтому в процессе формирования он претерпевает фазовые превращения в системе жидкость – твердое тело. При этом изменяются условия смачивания поверхности и условия взаимодействия полимерной цепи с поверхностью наполнителя из-за уменьшения молекулярной подвижности. Жесткая полимерная цепь не может также приспособиться к поверхности как молекулы мономера или олигомера, из которых образуется полимерный адгезив. Таким образом, по мере отверждения (структурирования) система становится все более неравновесной, причем тем больше, чем жестче цепь. При этом в адгезиве возникают внутренние напряжения, обусловленные как условиями отверждения, так и собственно взаимодействием полимера с поверхностью. Если клей обладает эластичностью, то он лучше приспосабливается к поверхности, больше возникает точек контакта, а неравновесность системы уменьшается. Процесс формирования клеевого соединения требует определенного времени, зависящего от свойств клея. Поэтому очевидно, что процесс отверждения клея необходимо вести при оптимальном соотношении между скоростью установления равновесного состояния полимера на поверхности субстрата и скоростью отверждения клея. Возникновение неравновесной структуры создает большие внутренние напряжения, стремящиеся оторвать клей от поверхности, что в итоге ведет к снижению прочности склеивания. Данное обстоятельство можно интерпретировать математической формулой

ск = т – вн, (15)

где ск – прочность склеивания; т – адгезионная (межфазная прочность); вн – внутренние напряжения.

Исходя из данной зависимости, можно сделать вывод, что повышение прочности склеивания возможно за счет:

  • повышения сил межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз;
  • снижения внутренних напряжений, как по межфазной границе, так и в массе самого клея.

Процесс образования адгезионной связи обычно подразделяется на две стадии. На первой стадии происходит перемещение молекул адгезива к поверхности субстрата и их определенное ориентирование в межфазном слое. Протекание первой стадии процесса адгезии способствует повышению температуры и давления. Однако в этом случае нарушается принцип самопроизвольности, что введет к появлению внутренних напряжений, уменьшающих работу адгезии. На второй стадии происходит межмолекулярное взаимодействие субстрата и адгезива и структурирование последнего. Работу адгезии Wа при этом можно определить по уравнению Дюпре-Юнга (12).

Исходя из вышесказанного следует, что максимальная прочность склеивания древесины достигается при использовании клеевых составов, обеспечивающих минимальный краевой угол смачивания, то есть обладающих малым поверхностным натяжением, по величине меньшим, чем поверхностное натяжение субстрата. Однако практический анализ формирования клеевых соединений показывает, что данный принцип сопоставления поверхностных натяжений адгезива и субстрата не всегда является условием достижения высокой адгезии. Поэтому в дальнейших исследованиях предполагается установить взаимосвязь поверхностного натяжения синтетических олигомеров с краевым углом смачивания и влияние этих величин на прочность композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна.

В уравнениях (11,12) одним из аргументов является краевой угол смачивания (cos), с помощью которого характеризуется физико-химическое взаимодействие контактирующих фаз. При этом предполагается, что поверхность твердого тела представляет идеально гладкую, однородную по химическому составу, недеформируемую плоскость. Однако поверхность древесных материалов, а также костры льна, ни одному из перечисленных факторов не соответствует. Природные однолетние и многолетние растения (например, древесина, костра) в силу своего анатомического строения являются высокопористыми субстратами. Так содержание полостей в древесине ели составляет 72, сосны – 67, березы – 61, дуба – 57, бука – 55, лиственницы – 64%. То есть на долю самого древесного вещества приходится от 28 до 45% от общего объема древесины. Зависимость краевого угла смачивания от пористости может быть описана соотношениями вида:

в случае, когда клей не смачивает стенки пор (>90)

cos п = т · cos р – п; (16)

в случае, когда клей смачивает стенки пор (<90)

cos п = т · cos р + п, (17)

где п – краевой угол на пористой поверхности; р – равновесный краевой угол на гладкой однородной поверхности; т – доля твердой фазы (древесного вещества); п – доля пор.

Поверхность древесных материалов никогда не бывает идеально гладкой, а покрыта многочисленными неровностями различной формы, размеры которых варьируются в широких пределах от нескольких межатомных расстояний до десятков микрон, а в отдельных случаях до нескольких миллиметров. Шероховатость твердой поверхности характеризуется ее микрорельефом, который представляет сложное хаотическое чередование разнообразных выступов и впадин. Для характеристики микрорельефа используют коэффициент шероховатости К, который представляет отношение фактической площади поверхности (с учетом площади впадин и выступов) к проекции на горизонтальную плоскость. Из определения коэффициента очевидно, что К > 1.

Зависимость краевого угла смачивания от коэффициента шероховатости определяют по уравнению Венцеля-Дерягина

cos ш = К · cos р, (18)

где ш – угол смачивания на шероховатой поверхности.

Из этого уравнения следует, что в отсутствии смачивания (>90) увеличение шероховатости приводит к увеличению краевого угла ш. Если клей смачивает данный материал (90 > > 0), то увеличение коэффициента шероховатости вызывает уменьшение краевого угла ш. При достаточно большом коэффициенте шероховатости К > (1/cos ) и < 90 выполняется термодинамическое условие полного смачивания.

При использовании клеев в виде растворов происходит набухание поверхностного слоя древесины, приводящее к изменению формы поверхности (изгиб, микровыступы). При смачивании поверхности древесины водой выполняется следующее условие деформирования

>> 1, (19)

где ж – поверхностное натяжение воды; Е – модуль упругости древесины в радиальном направлении; d – толщина деформированного слоя ( 10-5см).

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением степени деформирования краевой угол уменьшается. Отсюда следует вывод, что использование водных растворов олигомеров в качестве клеев для склеивания древесных материалов будет иметь при прочих равных условиях преимущество перед клеями, не вызывающими деформации поверхностного слоя.

Таким образом, изучение влияния указанных факторов на термодинамические свойства позволит дать количественную оценку зависимости прочностных свойств клеевого соединения от вида наполнителя, качества обработки поверхности и влажности.

При производстве композиционных материалов на основе костры с использованием традиционных технологий не удается получить высоких физико-механических характеристик, что связано с большей (по сравнению с древесными наполнителями) удельной поверхностью частиц, а также особенностями формирования адгезионного контакта. Согласно условию (14) для оценки возможности эффективного совмещения костры льна с синтетическими олигомерами необходимо оценить величины их поверхностных натяжений.

В экспериментальной части работы для определения поверхностного натяжения исследуемых адгезивов применялся метод отрыва кольца с помощью чувствительных четырехдиапазонных торсионных весов WТW. При этом исследовались традиционно применяемые для склеивания карбамидоформальдегидная и фенолформальдегидная смолы.

Графические зависимости влияния количества добавляемого модификатора (бутанола-1) на поверхностное натяжение исследуемых адгезивов представлены на рис. 2. Введение бутанола и других спиртов в синтетические смолы способствует снижению их поверхностного натяжения, при этом несколько уменьшается и вязкость, что положительно сказывается на процессе смачивания ими костры льна.

Графические зависимости влияния количества добавляемого в смолу модификатора (бутанола-1) на краевой угол смачивания субстратов представлены на рис. 3-4.

В работе оценка величины поверхностного натяжения субстратов (т) осуществлялась по результатам изучения равновесия трех фаз – твердой, жидкой и газообразной, на основе смачивания твердого тела жидкостями в воздушной среде.

Рис. 2. Влияние количества модификатора (бутанола-1) на поверхностное

натяжение адгезивов

Рис. 3. Влияние количества модификатора (бутанола-1), добавляемого в смолу КФН-66,

на краевой угол смачивания

Рис. 4. Влияние количества модификатора (бутанола-1), добавляемого в смолу СФЖ-3014, на краевой угол смачивания

Этот метод может быть реализован на основе установления взаимосвязи поверхностного натяжения и краевых углов смачивания.

т = ж (1+ соs ), (20)

где ж – поверхностное натяжение жидкости (адгезива), МДж/м2; т – поверхностное натяжение твердого тела (субстрата), МДж/м2; – краевой угол смачивания, град.

Установленная зависимость (20) была использована для предварительной оценки величины поверхностного натяжения костры льна. В расчетах использовались известные величины поверхностного натяжения и косинусы краевых углов смачивания, определенные для основных древесных пород при смачивании рассмотренными адгезивами, а также величины поверхностного натяжения адгезивов, модифицированных бутанолом.

Исследование краевого угла смачивания костры льна синтетическими олигомерами проводились с использованием микроскопа МБС-10, позволяющего определить размеры капли адгезива, нанесенной на поверхность субстрата.

Таким образом, расчетное поверхностное натяжение костры, определенное теоретическим методом оказалось на уровне 44-45 МДж/м2. Определение поверхностного натяжения костры льна было произведено также с позиций термодинамической трактовки теории адгезии путем графической оценки взаимосвязи косинуса краевого угла смачивания и поверхностного натяжения адгезивов, представленных на рис. 6,8.

К=0% К= 1% К=2%
а
б
в

Рис. 5. Вид капель смолы КФН-66

на субстратах:

а – береза; б – сосна; в – костра льна

(К – количество модификатора)

Рис. 6. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения смолы КФН-66, модифицированной бутанолом:

1 – береза; 2 – сосна; 3 –костра льна

К=0% К= 1% К=2%

а
б
в

Рис. 7. Вид капель смолы СФЖ-3014

на субстратах:

а – береза; б – сосна; в – костра льна

(К – количество модификатора)

Рис. 8. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения смолы СФЖ-3014, модифицированной бутанолом:

1 – береза; 2 – сосна; 3 – костра льна


В отличие от работ других исследователей, получены уточненные математические зависимости косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения адгезивов в виде полиномов второй степени с величиной достоверности аппроксимации не менее 0,9:

- для карбамидоформальдегидного олигомера КФН-66:

а) субстрат – береза соs = 5,92465911 – 0,16633503 ж + 0,00132169 ж2;

б) субстрат – сосна соs = 3,58877944 – 0,08886598 ж + 0,00069532 ж2;

в) субстрат – костра соs = 5,60552926 – 0,16182875 ж + 0,00128637 ж2;

- для фенолформальдегидного олигомера СФЖ-3014:

а) субстрат – береза соs = 4,44744325 – 0,10672727 ж + 0,00071985 ж2;

б) субстрат – сосна соs = 3,49966865 – 0,07954155 ж + 0,00053666 ж2;

в) субстрат – костра соs = 4,06621758 – 0,10326984 ж + 0,00070770 ж2.

Фактическое поверхностное натяжение костры льна определено экстраполированием кривой линии, выражающей зависимость cos = f () до значения cos = 1, при котором происходит полное смачивание. Таким образом, поверхностное натяжение костры составило 45 МДж/м2. Для достижения полного смачивания и высокой адгезии необходимо, чтобы полимерные составы, применяемые для ее осмоления, имели поверхностное натяжение до 45 МДж/м2. Поверхностное натяжение исследуемых клеевых составов приближается к поверхностному натяжению костры при условии модифицирования карбамидоформальдегидной смолы бутанолом в количестве 1,5%; при модифицировании фенолформальдегидной смолы бутанолом в количестве 2%, что позволяет обеспечить полное смачивание костры при осмолении и высокую адгезию.

Для оценки адгезионного взаимодействия, а также для определения рационального количества вводимого бутанола при модификации клеевых составов рассчитана величина работы адгезии на основе (11).

В данном уравнении не учитывается величина межфазного взаимодействия субстрата с адгезивом, поэтому расчет работы адгезии не является точным. Для повышения точности расчета необходимо учесть межфазное взаимодействие с помощью введения коэффициента пропорциональности b, имеющего величину tg угла наклона прямой, выражающей зависимость cos = f(ж), к оси абсцисс.

При этом зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения адгезива имеет вид

cos = 1 – b·(ж – кр), (21)

где кр – критическое значение поверхностного натяжения адгезива, при котором обеспечивается полное смачивание, МДж/м2.

Подставив данную зависимость в уравнение Дюпре-Юнга, получим

Wа = ж (2 + b·кр) – b·ж2. (22)

Зависимость (25) представляет уравнение параболы, вершина которой находится при следующем значении поверхностного натяжения адгезива

ж = + 0,5·кр. (23)

При этом максимальная работа адгезии определяется зависимостью вида

Wа max = + кр + 0,25·b·кр2. (24)

Коэффициент пропорциональности b определим как тангенс угла наклона графических зависимостей cos=f(ж), построенных по значениям для модифицированных составов на участках, описание которых возможно в виде прямых зависимостей (рис. 9).

В итоге получены уравнения для расчета работы адгезии

– для карбамидоформальдегидного олигомера:

Wа береза = ж (2 + 0,06·49) – 0,06·ж2 = 4,94· ж – 0,06·ж2 ;

Wа сосна = ж (2 + 0,045·47) – 0,045·ж2 = 4,115· ж – 0,045·ж2 ;

Wа костра = ж (2 + 0,065·45) – 0,065·ж2 = 4,925· ж – 0,065·ж2.

– для фенолформальдегидного олигомера:

Wа береза = ж (2 + 0,039·49) – 0,039·ж2 = 3,911· ж – 0,039·ж2 ;

Wа сосна = ж (2 + 0,03·47) – 0,030·ж2 = 3,41· ж – 0,03·ж2 ;

Wа костра = ж (2 + 0,058·45) – 0,058·ж2 = 4,61· ж – 0,065·ж2.

На рис. 10 представлена графическая интерпретация зависимости работы адгезии от поверхностного натяжения адгезивов.

а б

Рис. 9. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения: а – карбамидоформальдегидной смолы; б –фенолформальдегидной смолы: – субстрат береза; 2 – субстрат сосна; 3 – субстрат костра льна

а б

Рис. 10. Зависимость работы адгезии от поверхностного натяжения

а – карбамидоформальдегидной смолы; б – фенолформальдегидной смолы

1 – субстрат береза; 2 – субстрат сосна; 3 – субстрат костра льна

Проведенные расчеты и построенные графические зависимости свидетельствуют о повышении работы адгезии при использовании модифицированных клеевых составов.

Экспериментально подтверждено, что физико-механические характеристики готовых материалов при модификации спиртами существенно увеличиваются (табл.1).

Таблица 1

Сравнительные свойства костроплит

Количество модификатора (бутанола), % Плотность плиты, кг/м3 Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при перпендикулярном отрыве, МПа Разбухание по толщине, % Водопогло-щение, %
на основе смолы КФН-66
0 740 12,15 0,23 37,6 95
1 732 18,21 0,57 29 79
1,5 738 19,98 0,59 26,1 74,1
2 729 21,07 0,57 25,8 72,2
на основе смолы СФЖ-3014
0 740 11,0 0,26 32,1 81,2
1 738 16,3 0,46 25,2 68,1
1,5 745 18,4 0,52 7,5 39,0
2 748 18,8 0,55 6,4 35,6
3 754 16,8 0,48 8,8 40,3

В работе рассмотрены также способы повышения смачивающей способности синтетических олигомеров путем совмещения их с поливинилацетатной дисперсией, в состав которой входят эмульгатор – поливиниловый спирт и пластификатор – дибутилфталат. Эти вещества действуют как поверхностно-активные и способствуют снижению поверхностного натяжения модифицированного клеевого состава, приближая его к поверхностному натяжению костры.

Закономерности отверждения и поведения модифицированных клеев в твердом состоянии изучались с позиций реологии полимеров.

Характерной особенностью процесса структурирования клеев является развитие внутренних напряжений, которые являются результатом давления, возникающего при росте глобул, связанных друг с другом в жесткую пространственную сетку. Внутренние напряжения, возникающие в клеевой прослойке – явление достаточно общее в адгезионных системах. В самом общем виде внутренние напряжения являются мерой незавершенности релаксационных процессов и зависят от числа, природы и характера распределения локальных связей в системе.

Реологические свойства модифицированных клеевых композиций на основе синтетических олигомеров исследовались после их полного отверждения с применением консистометра Хепплера.

В качестве примера на рис. 11 представлены временные зависимости относительных деформаций для исследованных клеевых составов на основе

1 – КФН-66; 2 – КФН-66+1% бутанола; 3 – КФН-66+2% бутанола; 4 – КФН-66+3% бутанола 1 – КФН-66; 2 – КФН-66+10% ПВА, 3 – КФН-66+20% ПВА; 4 – КФН-66+30% ПВА
  1. – береза; 2 – сосна; 3 – костра льна
Рис. 11. Деформационные кривые
смолы КФН-66 и наполнителей композиционных материалов. На основе полученных данных рассчитаны основные реологические характеристики – модуль упругости, модуль относительной медленной эластической деформации, равновесный модуль эластичности и др. Для достижения высокого качества склеивания необходимо, чтобы реологические свойства субстрата превышали соответству-ющие реологические свойства адгезива. Анализ полученных данных показал, что модули упругости и эластичности костры льна меньше, чем модули упругости и эластичности древесных пород и отвержденных синтетических олигомеров. При введении бутанола модули упругости и эластичности отвержденных клеевых композиций приближаются к соответствую-щим значениям для костры льна.

Модификация клеевых композиций поливинилацетатной дисперсией дает более значимый эффект. Кроме этого, при данной модификации существенно уменьшается усадка отвержденной клеевой композиции, что снижает вероятность появления внутренних напряжений в клеевых соединениях. Таким образом, предложенные варианты модификации клеевых составов оправданы с точки зрения термодинамических и реологических свойств системы наполнитель – полимер.

В пятой главе «Оценка влияния технологических факторов на свойства костроплит» путем реализации В-плана второго порядка оценено влияние плотности (x1), расхода связующего (x2), количества модификатора связующего (x3), количество гидрофобной добавки (x4) на основные физико-механические и экологические характеристики костроплит.

По результатам исследований получены адекватные регрессионные модели:

а) выходная величина – предел прочности при изгибе:

Y1 = 16,35 + 3,20 x1 + 2,22 x2 + 1,46 x3 – 0,16 x4 + 0,10 x12 + 0,10 x32 –

– 1,10 x42 – 0,31 x1 x2 – 0,37 x2 x3 + 0,26 x3 x4 ;

б) выходная величина – предел прочности при перпендикулярном отрыве: Y2 = 0,559 + 0,116 x1 + 0,072 x2 + 0,050 x3 – 0,0039 x42 – 0,021 x1 x2 ;

в) выходная величина – разбухание по толщине:

Y3 = 17,45 + 2,20 x1 – 5,92 x2 – 2,24 x3 – 6,92 x4 + 0,50 x12 + 1,70 x22 –

– 0,55 x 32 + 0,75 x42 – 0,92 x1 x2 + 2,36 x2 x4 + 1,08 x3 x4 ;

г) выходная величина – водопоглощение:

Y4 = 82,45 + 5,79 x1 – 13,68 x2 – 4,08 x3 – 16,70 x4 – 2,71 x12 – 1,00 x22 –

– 4,16 x32 – 5,91 x42 ;

г) выходная величина – содержание свободного формальдегида:

Y5 = 8,59 + 0,06 x1 + 2,26 x2 – 0,36 x3 – 0,07 x4 + 0,21 x12 – 0,09 x42.

Анализ полученных математических моделей и их оптимизация при максимизации прочностных показателей и минимизации физических позволили определить рациональные условия производства костроплит:

плотность плит – 700 кг/м3; расход связующего – 15% от массы наполнителя; количество модификатора клеевого состава (бутанола-1) – 2% от массы жидкой смолы; количество парафиновой добавки – 0,5% от массы наполнителя; температура прессования – 150С; давление прессования – 1,8–2,0 МПа; время выдержки под давлением – 0,35–0,40 мин на 1 мм толщины плиты.

При соблюдении указанных условий удается получать плитные материалы с физико-механическими показателями, удовлетворяющими требованиям ГОСТ на аналогичную древесную продукцию (ДСтП):

- предел прочности при изгибе – 21,2 МПа;

- предел прочности при перпендикулярном отрыве – 0,72 МПа;

- разбухание по толщине – 17,4 %;

- содержание свободного формальдегида – 8,5 мг/100 г.

В шестой главе «Технология и режимы производства композиционной фанеры» предложены организационно-технические решения по производству композиционной фанеры, наружные слои которой состоят из взаимно перпендикулярных слоев лущеного шпона, а внутренним заполнением является клеевая композиция на основе костры льна по принципу изготовления костроплит. Основу прочности данному материалу придают слои лущеного шпона, при этом его расход на единицу продукции существенно снижается. Разработаны технологические схемы производства данного вида продукции.

По результатам реализации В-плана второго порядка оценено влияние плотности внутреннего заполнения (x1), расхода связующего во внутреннем слое (x2), количества модификатора связующего (x3), количество гидрофобной добавки (x4) на основные физико-механические характеристики композиционной фанеры и получены адекватные регрессионные модели:

а) выходная величина – предел прочности при изгибе:

Y1 = 56,64 + 5,89 x1 + 9,48 x2 + 5,09 x3 – 2,57 x4 + 3,10 x22 + 3,15 x32 – 2,95 x42 ;

б) выходная величина – предел прочности при перпендикулярном отрыве:

Y2 = 0,429 + 0,089 x1 + 0,056 x2 + 0,019 x3 – 0,015 x4 + 0,011 x12 – 0,039 x42 –

– 0,021 x2 x3 ;

в) выходная величина – разбухание по толщине:

Y3 = 13,91 + 1,71 x1 – 4,71 x2 – 1,79 x3 – 5,49 x4 + 1,69 x22 – 0,36 x32 +

+ 1,89 x2 x4 + 0,86 x3 x4 ;

г) выходная величина – водопоглощение:

Y4 = 40,56 + 4,46 x1 – 12,90 x2 – 5,36 x3 – 15,93 x4 + 4,84 x22 – 2,07 x1 x2 +

+ 5,02 x2 x4 + 1,92 x3 x4.

Анализ полученных математических моделей и их оптимизация при максимизации прочностных и минимизации физических показателей позволили определить рациональные условия производства композиционной фанеры:

плотность внутреннего заполнения – 650 кг/м3; расход связующего – 10% от массы наполнителя; количество модификатора клеевого состава (бутанола-1) – 1,5% от массы жидкой смолы; количество парафиновой добавки – 0,3% от массы наполнителя; температура прессования – 150С; давление прессования – 1,8–2,0 МПа; время выдержки под давлением – 0,35–0,40 мин на 1 мм толщины материала.

При соблюдении указанных условий удается получать материалы, конкурирующие по свойствам с фанерой общего назначения – с прочностью при изгибе порядка 60 МПа, прочностью при перпендикулярном отрыве 0,46 МПа, разбуханием по толщине 18%.

В седьмой главе «Применение фурановых олигомеров в производстве композиционных материалов» предложено применение фурановых олигомеров для производства плитных композиционных материалов специального назначения.

В настоящее время фурановые связующие ограниченно используются преимущественно в строительстве, а также для модификации древесины, с целью улучшения био- и огнестойкости и других физико-механических показателей. Основной компонент фурановых смол - фурфурол, который можно получать из отходов лесозаготовок (лесосечных отходов), лесопиления и деревообработки, составляющих от 30 до 45% объема перерабатываемой древесины. Поэтому производство фурфурола и клееных материалов на его основе не только позволит получать малотоксичную продукцию с высокими эксплуатационными характеристиками, но и обеспечит повышение комплексности использования сырья. Необходимость проработки темы обусловлена тем, что высокие физико-механические свойства и пониженная токсичность фанеры, полученной с применением в качестве связующего фурановых смол, позволяют расширить область применения готовой продукции и прогнозировать высокий потребительский спрос. В экспериментальной части работы были отработаны режимы и технология синтеза фурфуролацетонового мономера ФА применительно к производству композиционных материалов, оценены термодинамические и реологические характеристики.

Установлено, что в отличие от традиционных карбамидных и фенольных олигомеров, фурановые отличаются малой вязкостью (25…40 с по ВЗ4мм), поэтому легко проникают в клеточные стенки древесины. При нанесении капли мономера ФА на поверхность образца из древесины березы происходит быстрое и полное растекание ее по поверхности и впитывание в макротрещины (рис. 12а).

а б в Рис. 12. Капля мономера ФА на поверхности субстратов: а – сосна, б – береза, в – костра льна На поверхности соснового образца капля мономера ФА распределяется несколько медленнее, однако также имеет место полное растекание и частичное впитывание в макротрещины (рис. 12б). На поверхности частиц костры капля мономера ФА концентрируется на поверхности с образованием положительного краевого угла смачивания (рис. 12в). Установлено, что мономер ФА наиболее применим в качестве связующего для частиц из хвойных пород древесины, костры льна, соломы злаковых растений и других наполнителей композиционных материалов с небольшой проницаемостью жидкостями и газами.

На рис.13 представлены временные зависимости относительных деформаций для клеевых составов на основе мономера ФА, карбамидо- и фенолформальдегидного олигомеров, рассчитаны реологические характеристики.

Рис. 13. Деформационные кривые: 1 – КФН-66; 2 – СФЖ-3014; 3 – мономер ФА + 0,5% серной кислоты; 4 – мономер ФА + 3% бензолсульфокислоты С точки зрения соответствия реологических показателей адгезива и субстрата клеевые составы на основе мономера ФА более эффективны для использования в структуре композиционных материалов (по сравнению с карбамидо- и фенолформальдегид-ными олигомерами), так как их модули упругости, эластичности и эластической деформации ниже и приближены к соответствующим


Pages:   || 2 |
 
Похожие работы:

«Веприков Владимир Иванович РАЗРАБОТКА ОСНОВ ЛАЗЕРНО И МАГНИТОСТИМУЛИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ Ni/Bi 2 Te 3 КОНТАКТОВ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ ПЕЛЬТЬЕ Специальность 05.27.01 – твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Таганрог 2008 Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге на...»

«Басова Евгения Вениаминовна Повышение эффективности процесса очистки элементов аспирационной системы на мебельных и деревообрабатывающих предприятиях Специальность 05.21.05 — Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Екатеринбург - 2012 Диссертационная работа выполнена на кафедре менеджмента и внешнеэкономической деятельности предприятия Федерального государственного бюджетного...»

«Давлетова Олеся Александровна СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИРОЛИЗОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника на квантовых эффектах Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Саратов – 2010 Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградский государственный университет Научный...»

«ИВАНЮК Екатерина Викторовна РАЗРАБОТКА СТРУКТУР, ТЕХНОЛОГИИ ВЫРАБОТКИ И МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОИСТО-КАРКАСНЫХ ТКАНЕЙ И КОНТУРНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Специальность 05.19.02 – Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2011 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования...»

«Арзуманова Анна Валерьевна ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НИКЕЛЬ-ФТОРОПЛАСТ И НИКЕЛЬ-БОР-ФТОРОПЛАСТ ИЗ ХЛОРИДНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА 05.17.03 – Технология электрохимических процессов и защита от коррозии АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новочеркасск – 2011 Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском...»

«Савинова Татьяна Николаевна БИБЛИОТЕКИ В КОНТЕКСТЕ СОЦИОКУЛЬТУРНОГО ПРОСТРАНСТВА ТРАНСГРАНИЧНОГО РЕГИОНА (на примере Оренбургской губернии 1865 – 1919 гг.) Специальность 05.25.03 Библиотековедение, библиографоведение и книговедение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата исторических наук Новосибирск 2012 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Государственной публичной...»

«ШИРИЯЗДАНОВ РИШАТ РИФКАТОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ АЛКИЛИРОВАНИЯ ИЗОБУТАНА ОЛЕФИНАМИ Специальность 05.17.07. – “Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ” АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук УФА – 2011 Работа выполнена на кафедре Технология нефти и газа ФГОБУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета Научный руководитель доктор...»

«ПЫРИКОВ Павел Геннадьевич РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ И ИНСТРУМЕНТОВ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА Специальности: 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Брянск - 2009 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего...»

«ЦАТУРОВ Виталий Аркадьевич МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗОГИДРИЧЕСКОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕДИЦИНСКОГО ВИТАМИНА B 1 ИЗ ВОДНО-ЭТАНОЛЬНЫХ РАСТВОРОВ В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ Специальность 05.17.08.- Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Иваново 2010 Работа выполнена в ГОУВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” на кафедре “Процессы и аппараты химической технологии”. Научный...»

«КОНДРАШЕВА ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА ИНГИБИРОВАНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ И НАВОДОРОЖИВАНИЯ МАРТЕНСИТНОЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ В НАТУРАЛЬНОЙ И ИСКУССТВЕННОЙ МОРСКОЙ И ОКЕАНИЧЕСКОЙ ВОДЕ N-СОДЕРЖАЩИМИ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ Специальность 05.17.03 – технология электрохимических процессов и защита от коррозии АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Калининград – 2010 Работа выполнена в Российском государственном университете имени...»

«Медведев Вячеслав Борисович Моделирование И РАСЧЕТ тепловых процессов в регенеративных утилизаторах теплоты с циркулирующей гранулированной насадкой Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий Иваново 2009 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ивановский государственный энергетический университет имени В.И....»

«Сысоев Александр Сергеевич разработка модел ей и Метод ов мониторинга сервис-ориентированных информационных систем Специальность: 05.25.05 – Информационные системы и процессы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2011 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Российский государственный гуманитарный университет (РГГУ) Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Максимов Николай Вениаминович Официальные оппоненты: доктор...»

«ПЕТРОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ методы оценки ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Петрозаводск – 2012 Работа выполнена на кафедре промышленного транспорта и геодезии Петрозаводского государственного университета Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Питухин Александр Васильевич...»

«Басова Евгения Вениаминовна Повышение эффективности процесса очистки элементов аспирационной системы на мебельных и деревообрабатывающих предприятиях Специальность 05.21.05 — Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Екатеринбург - 2013 Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования...»

«СИЛАЕВ ИВАН ВАДИМОВИЧ РАЗРАБОТКА СПОСОБА ВЫРАЩИВАНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ ИЗ РАСПЛАВА МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО Специальность 05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2008 Работа выполнена на кафедре физики твердого тела и электроники физико-технического факультета Государственного образовательного учреждения...»

«Амелькович Юлия Александровна СИНТЕЗ КЕРАМИЧЕСКИХ ПРЕКУРСОРОВ СЖИГАНИЕМ В ВОЗДУХЕ СМЕСЕЙ ПОРОШКОВ, АКТИВИРОВАННЫХ НАНОПОРОШКАМИ АЛЮМИНИЯ, ЖЕЛЕЗА И МЕДИ 05.17.11 – Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск 2008 Работа выполнена в НИИ ВН Томского политехнического университета Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Ильин Александр Петрович...»

«КОПЫЛОВА Наталья Федоровна Разработка технологии изготовления, исследование свойств нано композитного материала состава S i O 2 S n O x C u O y и характеристик сенсор а газа на его основе Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Таганрог 2009 Работа выполнена в Технологическом институте...»

«БОЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ НАСАДОК ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа - 2008 Работа выполнена на кафедре Оборудование нефтехимических заводов филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке. Научный руководитель кандидат технических наук, доцент...»

«БАШКОВА ГАЛИНА ВСЕВОЛОДОВНА Проектирование свойств и разработка технологии производства льносодержащих армирующих трикотажных структур для волокнистых комп о зитных материалов Специальность 05.19.02 – Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Иваново 2011 Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ивановская...»

«Мурашова Ольга Валерьевна ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕСОСПЛАВНЫХ ПЛОСКИХ СПЛОТОЧНЫХ ЕДИНИЦ Специальность 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Архангельск – 2007 Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете. Научные руководители: доктор технических наук, профессор А.А.Митрофанов кандидат технических наук, доцент Г.Я.Суров Официальные...»








 
2014 www.avtoreferat.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.