Усовершенствование технологии изготовления древесно-наполненных композиционных материалов на основе цементных вяжущих

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА

УДК 691-419.8

Н. Р. Галяветдинов, В. А. Лашков, А. Н. Николаев

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДРЕВЕСНО-НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ

Ключевые слова: композит, древесина, отходы, связующее.

Исследована возможность повышения прочностных характеристик композиционного материала на древесных отходах, обработанных методом термомодификации, с использованием в качестве наполнителя древесных опилок. Для повышения прочностных характеристик композиционного материала предложена предварительная термическая обработка древесного заполнителя в термокамере при температуре 190-200 °С.

The keywords: composition, wood, wastes, bindings.

The research possibility increased durability characteristics of a composite material on the wood waste processed by a method of thermoupdating, with use as a filler of wood sawdust is investigated. For increase durability characteristics of a composite material preliminary thermal processing of a wood filler in a heat chamber is offered at temperature 190-200 °С.

Рациональное решение проблемы промышленных отходов зависит от ряда факторов: вещественного состава отходов, их агрегатного состояния, количества, технологических особенностей и т.д. Наиболее эффективным решением проблемы промышленных отходов является внедрение безотходной технологии. Рациональное решение которого зависит от ряда факторов: вещественного состава отходов, их агрегатного состояния, количества,

технологических особенностей и т.д. Наиболее эффективным решением проблемы промышленных отходов является внедрение безотходной технологии. Создание безотходных производств осуществляется за счет принципиального изменения технологических процессов, разработке систем с замкнутым циклом, обеспечивающих многократное использование сырья. При комплексном использовании сырьевых материалов промышленные отходы одних производств являются исходными сырьевыми материалами других. Важность комплексного использования сырьевых материалов можно рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, утилизация отходов позволяет решить задачи охраны окружающей среды, Во-вторых, отходы в значительной степени покрывают потребность ряда перерабатывающих отраслей в сырье. В-третьих, при комплексном использовании сырья снижаются удельные капитальные затраты на единицу продукции и уменьшается срок их окупаемости.

Из отраслей-потребителей промышленных отходов наиболее емкой является промышленность строительных материалов. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10 - 30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, экономия капитальных вложений достигает 35 - 50%.

Композиционные материалы, изготовленные на основе различных

целлюлозосодержащих (главным образом, древесных) наполнителей в смеси с синтетическими или минеральными вяжущими являются не только основными материалами для мебельной промышленности, строительства и других отраслей, но и неотъемлемым звеном в системе комплексной переработки древесины, причем это характерно не только для

112

России, но и для всего мира в целом. Производство композиционных материалов является универсальным и совершенным с точки зрения возможностей использования и переработки сырьевых ресурсов, поскольку имеется возможность переработки широкого спектра сырья различных размеров и сортов[1].

Одним из основных способов решения указанной проблемы является технология изготовления древесно-наполненных композиционных материалов на основе цемента -арболита. Однако физико-механические характеристики указанного материала не всегда удовлетворяют необходимым требованиям, а кроме того, с течением времени могут ухудшаться, что особенно касается прочностных характеристик. Поэтому нами была предложена технология производства арболита, в котором предварительно высушенные древесные частицы, выступающие в роли заполнителя, перед обработкой в разрядной камере проходят термическое модифицирование контактно-конвективным способом в среде топочных газов без доступа кислорода воздуха при температуре 190-200 оС в течении 50-60 мин., что позволяет снизить гигроскопичность древесных частиц, соответственно препятствует развитию давления набухания в процессе эксплуатации и, как следствие, улучшает эксплуатационные свойства арболита [2]. Применение данной технологии позволяет расширить область применения композиционного материала без существенного снижения его физико-механических характеристик в процессе его эксплуатации. На рис. 1 представлена схема осуществления данного процесса.

Рис. 1 - Технологическая схема получения композиционных материалов на основе цементных вяжущих по усовершенствованной технологии

Установка состоит из расходной емкости 1 с измельченным древесным наполнителем, устройства термического модифицирования 2 древесных частиц, устройства плазменной обработки 3 древесных частиц, промежуточной емкости 4, емкости для замачивания 5 частиц заполнителя, смесителя 6, дозаторов воды 7, цемента 8, песка 9, химических добавок 10, раствора фактурного слоя 11, формовочной станции 12, пресса 13 и камеры термической обработки 14.

Устройство термического модифицирования 2 включает камеру сгорания (топку) 15, барабанную камеру термомодифицирования 16, электродвигатель 17, редуктор 18, зубчатую

пару 19 с венцовой шестерней на барабане, дымосос 20, циклон отделитель 21, бункер для сухой стружки 22, шлюзовые затворы 23, 24.

Способ изготовления арболита, осуществляется следующим образом. Частицы предварительно высушенного древесного заполнителя из расходной емкости 1 через трубу со шлюзовым затвором 23 подают в камеру термомодифицирования 16, в котором в качестве агента обработки используют топочные газы. Топочные газы с температурой 900 - 1000 °С из топки 15 поступают в теплообменник 25, в котором охлаждаются до температуры 220 °С, после которого подаются в камеру термомодифицирования 16. Барабан вращается от электродвигателя 17 и редуктора 18 через зубчатую пару 19 с венцовой шестерней на барабане. Сменными шестернями на редукторе частота вращения барабана меняется от 4 до 9 мин-1. Передача тепла измельченной древесине в барабане осуществляется путем конвекции и непосредственного контакта материала со стенками и деталями внутреннего устройства барабана. Температура отработанного газа на выходе из барабана составляет 150-180 °С. Далее дымосос 20 направляет смесь газа с термически обработанной стружкой в циклон-отделитель 21, после которого частицы древесного заполнителя через трубу с шлюзовым затвором 24 подают в бункер для термомодифицированной стружки 22.

Термомодифицированные древесные частицы выгружают из бункера 22 в устройство плазменной обработки 3. Затем древесные частицы с модифицированной поверхностью из устройства плазменной обработки направляются в промежуточную емкость 4 и замачивают в емкости 5.

Арболитовую смесь приготавливают в смесителе 6, в который предварительно загружают древесный заполнитель, растворы химических добавок, воду (продолжительность перемешивания не менее 180 с). Загрузку компонентов и химических добавок в смеситель 6 осуществляют дозаторами 7-10.

Формуют изделие из арболита на станции 12, при этом раствор или мелкозернистый бетон для фактурного слоя дозируют устройством 11. Далее изделие подвергают уплотнению на прессе 13, тепловой обработке в камере 14 и выдержке.

В результате, были изготовлены образцы композиционного материала - арболита из древесных опилок, термически модифицированной при различных температурах, с последующей выдержкой образцов в эксикаторе с относительной влажностью среды равной 100 %. Подготовленные таким образом образцы были исследованы на предел прочности на сжатие. Результаты исследований представлены в таблице 1 и на кривой, представленной на рис. 2, из которых видно, что максимальные значения предела прочности на сжатие приходятся на температуру обработки древесных частиц в интервале 190 - 200 °С.

Таблица 1

Температура обработки, °С 100 130 160 170 180 190 200 210 220

Предел прочности на сжатие, Мпа 3,5 3,8 4,1 4,2 5,3 6,0 6,3 5,1 4,6

Таким образом, можно сделать вывод, что более низкая температура обработки в процессе выдержки во влажной среде приводит к развитию давления набухания древесных частиц и, как следствие, снижению предела прочности композиционного материала на сжатие. Оптимальной температурой для термическая обработки является температура в интервале 190-200 °С, которая способствует к существенному снижению давления набухания, а также приводит к увеличению прочности арболита на сжатие. Более высокие температуры обработки вызывают значительный химический распад древесинного вещества, что приводит к снижению прочности самого древесного наполнителя и впоследствии к снижению предела прочности арболита [3].

Рис. 2 - Кривая изменения предела прочности на сжатие в зависимости от температуры обработки древесного заполнителя

Литература

1. Сафин, Р.Р. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов / Р.Р. Сафин [и др.] // Лесной вестник. - 2010. - № 4. - С. 95 - 99.

2. Разумов, Е.Ю. Исследование вакуумно-кондуктивного процесса модифицирующей термообработки древесины / Е.Ю. Разумов [и др.] // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009. - № 3. -С. 9 - 11.

3. Сафин, Р.Р. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9. - С. 242-206.

© Н. Р. Галяветдинов - канд. техн. наук, доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ; В. А. Лашков - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машиноведения КНИТУ, lashkov_dm@kstu.ru; А. Н. Николаев - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ.