Повышение прочности композиционных материалов, созданных на основе модифицированной древесины

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА

УДК 674.04

Ю. Н. Зиятдинова, Ф. Г. Валиев, Р. Р. Хасаншин,

А. Н. Николаев

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ,

СОЗДАННЫХ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: термическая обработка, тепломассоперенос, скорость химической реакции.

Рассмотрены физические характеристики древесно-композиционных материалов после обработки высокочастотным разрядом пониженного давления. Предложена модель взаимодействия высокочастотного разряда пониженного давления и капиллярно-пористого тела в виде древесных опилок.

Keywords: heat treatment, heat and mass transfer, the chemical reaction rate.

The considered physical characteristics of woods-composite materials after processing by the high-frequency category of the lowered pressure are. The offered model of interaction of the high-frequency category of the lowered pressure and a capillary-porous body in the form of wood sawdust is.

Древесина, применяемая как наполнитель в производстве древесно-наполненных композитов является дешевым сырьем, которое снижает затраты на применение дорогостоящего связующего. Но древесный наполнитель имеет неблагоприятные факторы, влияющие на свойства композита: объемно-влажностные деформации, повышенная

химическая агрессивность отрицательно влияют на процессы структурообразования композиционного древесно-наполненного материала [1, 2].

В связи с вышеизложенным задачу совершенствования технологии производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и минеральных вяжущих следует считать актуальной [3].

В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований основных свойств композиционных материалов, созданных на основе высокочастотной плазменной обработки древесины и минеральных вяжущих. При этом в качестве композиционного материала был выбран арболит и, соответственно, в качестве минерального вяжущего использован портландцемент марки 400. Целью экспериментальных исследований является изучение изменения прочностных характеристик данного композиционного материала вследствие изменения физико-химических и физико-механических свойств древесного наполнителя при его модификации.

Создание образцов арболита на основе модифицированной древесины осуществлялось следующим образом. Для создания образцов изделий были изготовлены металлические контейнеры с размерами полости 100*100*100 мм. Далее создавалась смесь с соотношением компонентов, определенным согласно плану эксперимента. После приготовления смеси осуществлялось формование изделия в контейнерах с помощью вибростола в течение ранее определенного интервала времени достаточного для полной усадки смеси - 7 мин. Далее отформованная смесь выдерживалась в контейнерах в течение суток с последующим извлечением и выдержкой в условиях помещения в течение 30 дней для достижения полной цементации.

По истечении указанного времени часть образцов подвергалась цикличному увлажнению и сушке с целью исследования негативного влияния давления набухания

древесного наполнителя. При этом увлажнение образцов осуществлялось путем их выдержки в воде комнатной температуры в течении 2 дней, а сушка производилась в сушильной камере при температуре 105°С до постоянной массы. Количество циклов «увлажнение-сушка» равнялось 20.

Для проведения исследований композиционных материалов на прочность при сжатии, использовалась испытательная машина типа 82-5-1.

Принцип работы испытательной машины: поворотом рычага смыкаются плиты зажима (верхняя и нижняя опоры) и устанавливается нагрузка на максимальный уровень. Необходимо привести в действие электродвигатель и установить стрелку на шкале прибора на 0. Начинает действовать нагрузка, при которой рычаг начинает отклоняться. Образец, который находится в зажимах начинает деформироваться. Образуется трещина и происходит окончательное разрушение образца. Далее происходит фиксирование показаний установки. На приборе имеется линейка пресса, которая отклоняется от нулевой отметки. Также имеются две шкалы на приборе. Одна стрелка показывает момент разрыва волокон, а другая - нагрузку.

В результате обработки экспериментальных данных были получены графические зависимости, представленные на рис. 1. Из графиков видно, что высокочастотная плазменная обработка вызывает увеличение водопоглощения древесных частиц, подвергнутых данному виду обработки.

1 Ч 2

0,25 0,5 0,75 т Б/Ц

Рис. 1 - Изменение предела прочности арболита при сжатии в зависимости от водоцементного отношения: 1 — наполнитель, не подвергшийся специальной обработке;

2 - наполнитель обработан ВЧ плазмой

В результате рекогносцировочных экспериментов для каждого модифицированного наполнителя были выбраны оптимальные соотношения В/Ц (водоцементное отношение) (рис. 2). В связи с неодинаковым водопоглощением разных модифицированных древесных наполнителей были приняты следующие В/Ц: для необработанных наполнителей - 0,8; для ВЧ

- 0,9.

На рис. 3 представлены графики зависимости предела прочности при сжатии образцов арболита, изготовленных из предварительно обработанных высокочастотной плазмой древесных частиц, в зависимости от мощности обработки.

Рис. 2 - Рациональное водоцементное соотношение в зависимости от вида обработки

Рис. 3 - Предел прочности на сжатие арболита, изготовленного из модифицированных древесных частиц

Из графика видно, что с увеличением мощности обработки возрастает предел прочности композиционного материла, что объясняется увеличением адгезии между вяжущим и древесным наполнителем и, углублением зоны проникновения вяжущего в наполнитель, вследствие увеличения пор в древесине, обработанной ВЧ плазмой.

В то же время испытания образцов подвергнутых увлажнению и сушке, а также заморозке, указывают на существенное снижение предела прочности, что позволяет сделать вывод о нецелесообразности эксплуатации данного вида арболита во влажных условиях.

На основе планирования эксперимента и результатов экспериментальных исследований по модификации древесины была разработана математическая модель для древеснокомпозиционного материала, которая позволяет прогнозировать предел прочности композита на сжатие в зависимости о рецептуры и режима обработки древесного наполнителя. В

полученных эмпирических уравнениях предел прочности арболита на сжатие зависит от условий эксплуатации, продолжительности обработки и толщины прослойки цементного камня.

Средняя величина прослойки связующего, в первую очередь, будет определяться соотношением исходных компонентов в составе, плотностью их упаковки, природой и свойствами наполнителя и связующего, а также размерами и величиной удельной поверхности наполнителя. Установление взаимосвязи между вышеперечисленными параметрами позволяет оценить ориентировочную величину средней толщины прослоек связующего в КДМ.

Толщину прослойки цементного камня в контактной зоне в структуре арболита приближенно можно определить с помощью эмпирического выражения [4]:

8 = а' ЦК ,

Д Э уд Р ц

где Ц и Д - соответственно расход цемента и древесной дробленки на 1м3 арболита, кг; а’ -коэффициент, учитывающий технологические свойства древесно-цементного композита; рц -

3 2

средняя плотность цемента, кг/м ; вуд - удельная поверхность древесной дробленки, м /кг; К -

выход цементного теста нормальной густоты, части от единицы.

В наших исследованиях а’, К, рц имели следующие значения: а’=1,25; К=0, 5; рц =1198

кг/м3.

Удельную поверхность древесных частиц вуд заполнителя определяем по известной методике и формуле, учитывающей поверхность кромок и торцов:

2 111

э — — —I—I—

уд р £ Ь а ’

где р - средняя плотность древесины, г/см3; £, Ь, а - соответственно длина, ширина,

толщина единичной частицы заполнителя, см.

Для выбора требуемого сочетания компонентов смеси было проведено планирование полнофакторного эксперимента.

Таким образом, получены следующие уравнения регрессии:

Предел прочности арболита из ВЧ обработанных древесных частиц от условия эксплуатации:

- при эксплуатации в сухих условиях (без увлажнения):

Явч)безувл. — 8,5931 +1,1278Х1 + 0,2383х 2 +1,5147 х 3 0,0655х2

0,0905х2 + 0,2932х2 0,0968х1х 2 + 0,1883х 1х 3 + 0, 0317 х 2 х 3.

- при эксплуатации в условиях переменной влажности

Чвч)е увл. — 2,4773 + 0,0287х 1 0,0818 х2 + 0,5399х 3 + 0,6736х 2

0,02635х 2 + 0,0342х 2 + 0,2318 х1х 2 + 0,0065х1х 3 .

Формулы, связывающие нормализованные и натуральные обозначения, будут в данном случае иметь следующий вид:

Х1— ( 3,5)2,5

х2 —(т 10)5

х3 — (5 0,0004)0,0001

Представленная регрессионная модель позволяет прогнозировать производство арболита заданного качества под нужды любого потребителя.

Проведенные исследования показали, что модификация древесного наполнителя в высокочастотной плазме пониженного давления, обеспечивает существенный рост адгезионного контакта и общее повышение прочности при эксплуатации арболита в сухих условиях. Определены параметры плазменной обработки древесного наполнителя, позволяющие получить арболит с высокими прочностными характеристиками: N = 4,5 + 5,5 кВт/кг, т = 5 ^ 7 мин.

Литература

1. Аминов, Л.И. Общие принципы модификации натуральных волокнистых материалов различного происхождения в плазме ВЧ разряда пониженного давления / Л.И. Аминов, Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин // Вестник Казан. техн. ун-та. - 2009. - № 5. - С. 304-308.

2. Абдуллин, И.Ш. Модификация древесных опилок высокочастотным разрядом пониженного давления для создания древесно-композиционных материалов / И.Ш. Абдуллин, Л.И. Аминов, И.Х. Аминов // Вестник Казан. техн. ун-та. - 2002. - № 1-2. - С. 63-68.

3. Сафин, Р.Р. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Н.А. Оладышкина // Вестник Казан. техн. ун-та. - 2010. - №9. - С.542-546.

4. Пижурин А.А. Основы научных исследований в деревообработке: учебник для вузов / А.А. Пижурин, А.А. Пужурин. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - 305 с.

© Ю. Н. Зиятдинова - канд. пед. наук, доц., зав. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, Olambis@rambler.ru; Ф. Г. Валиев - асп. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ; Р. Р. Хасаншин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; А. Н. Николаев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ.