Термическая обработка древесного наполнителя в производстве композиционных материалов

УДК 674.04

Р. Р. Хасаншин, В. А. Лашков, Р. Р. Сафин,

Ф. Г. Валиев

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: энергосберегающие технологии, низкосортная древесина, термомодифицирование.

Представлены результаты исследований возможности использования термомодифицирования древесины в процессе производства композиционных материалов. По результатам исследований влияния высокотемпературной обработки древесного сырья на древесину показана целесообразность использования данного вида обработки в производстве древесно-цементных композитов с целью повышения их эксплуатационных характеристик.

Keywords: power saving up technologies, low-grade wood, thermomodifying.

Results of investigations into the possibility of using termomodifitsirovaniya wood in the production of composite materials. According to studies the influence of high temperature treatment of wood raw material for wood is shown the feasibility of using this type of treatment in the production of wood-cement composites to improve their performance.

В последние годы в строительстве наблюдается повышенный интерес к древесине и изделиям на ее основе, что объясняется возможностью получения принципиально новых материалов с улучшенным комплексом свойств - композитов. Однако древесный наполнитель наряду с присущим ему ценными свойствами (малая средняя плотность, легкость обработки, в частности, дроблением и др.) имеет и отрицательные качества, которые затрудняют получение материала высокой прочности: повышенная химическая агрессивность; значительные

объемные влажностные деформации и развитие давления набухания; резко выраженная анизотропия; высокая проницаемость; низкая адгезия по отношению к цементному камню; значительная упругость при уплотнении смеси.

Традиционные методы модификации древесины (механические, химические) практически исчерпали свои возможности. Поэтому актуальным является поиск и разработка новых технологий, основанных преимущественно на физических воздействиях на древесное сырье, которые приводили бы к его модифицированию для повышения качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции.

В то же время известна технология термической обработки древесины, которая позволяет снизить гигроскопичность и развитие давления набухания [1], однако данная технология при производстве композиционных материалов до сих пор остается не исследованной.

В данной работе проводится исследование свойств композиционного материала на минеральном вяжущем, в котором в качестве наполнителя используется термически обработанная древесинная стружка. Обработка наполнителя осуществлялась в интервале температур 160 - 220 °С в течении 1 - 4 часов на экспериментальной вакуумно-контактной установке, состоящей из герметичной камеры тепловой обработки, сообщенной с вакуумным насосом. Подвод тепловой энергии к обрабатываемому материалу осуществлялся контактным способом с помощью теплоподводящих поверхностей, представляющих собой перфорированную металлическую пластину, обогреваемую с помощью нитей накаливания и теплоизолированную со стороны противоположной обрабатываемому материалу пористым влаго- и воздухопроницаемым материалом [2,3].

При проведении термомодифицирования древесные частицы подвергались нагреву до определенной температуры в течение заданного планом эксперимента интервала времени. В результате установлено, что заметные изменения в древесине начинают

происходить при достижении температуры 180 °С. В этот период начинается разложение менее термостойких компонентов древесины с выделением реакционной воды, углекислоты, и некоторых других продуктов, изменяется химический и элементарный состав древесины. Температура 200 °С определяет начало термического разложения древесины. Молекулы сырья приобретают подвижность и при данной температуре способность к разрыву с отщеплением углеродсодержащих групп и образованием новых веществ с меньшим молекулярным весом.

Обработанные таким образом древесные образцы использовались для исследования взаимодействия модифицированной древесины с минеральными вяжущими, а также для изготовления древесно-наполненных композитов с целью дальнейшего изучения их свойств. 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 физикомеханических свойств древесного наполнителя при высокотемпературной термической обработке.

В результате проведенных исследований по определению предела прочности на сжатие арболита, полученного из термически обработанных древесных частиц и прошедшего многократное увлажнение и сушку с количеством циклов равное 20, заморозку и оттаивание с количеством циклов - 20, получена графическая зависимость, представленная на рисунке 1.

Рис. 1 - Предел прочности на сжатие образцов арболита, изготовленных из древесных частиц, прошедших тепловую обработку

Из графика следует, что предварительное термомодифицирование древесных частиц в процессе изготовления арболита позволяет значительно увеличить эксплуатационные характеристики данного материала при тепловом воздействии в диапазоне 455-475 К и, как следствие, расширить области его возможного использования, в частности, возможно использование арболита в условиях высокой влажности.

Кроме того, при проведении экспериментальных исследований было установлено влияние соотношения компонентов на механические свойства арболита. Так, в результате обработки экспериментальных данных установлено, что термическое воздействие на наполнитель снижает водоцементное соотношение (рисунок 2), что может быть объяснено существенным снижением водопоглощения термомодифицированных древесных частиц по сравнению с необработанными. В результате рекогносцировочных экспериментов было определено оптимальное водоцементное отношение для термически обработанных наполнителей - 0,45.

^сж.,

М1Ь

6,0

5.0

4.0

3.0

2.0

1,0

0,2 0,5 0,7 1,0 1Щ

Рис. 2 - Изменение предела прочности арболита при сжатии в зависимости от отношения «вода-цемент»: 1 - наполнитель термически обработан при Т = 473 К; 2 - наполнитель, не подвергшийся специальной обработке

На рисунке 3 представлена полученная зависимость предела прочности арболита на сжатие от длины щепы. В ходе анализа полученной зависимости установлено, что нарастание предела прочности на сжатие происходит с уменьшением размеров древесного заполнителя, что объясняется увеличением зоны контакта между древесными частицами и увеличением толщины прослойки вяжущего вещества (цемента).

Рис. 3 - Предел прочности на сжатие образцов арболита в зависимости от длины щепы

Обработкой результатов экспериментальных исследований получена зависимость предела прочности композиционного материала на сжатие от отношения массы древесного наполнителя к массе минерального вяжущего. Полученная зависимость, представленная на рисунке 4, указывает на снижение прочности при возрастании количества наполнителя по отношению к вяжущему.

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.

Рис. 4 - Предел прочности на сжатие образцов арболита в зависимости от соотношения «древесина-цемент»

При этом средняя величина прослойки связующего определяется соотношением исходных компонентов в составе, плотностью их упаковки, природой и свойствами наполнителя и связующего, а также размерами и величиной удельной поверхности наполнителя. Отсюда, толщину прослойки цементного камня в контактной зоне в структуре арболита приближенно можно определить с помощью эмпирического выражения [4]:

_ _ а' ЦК

Д в р ,

г-1 УД гц

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

3 2

средняя плотность цемента, кг/м ; в уд - удельная поверхность древесной дробленки, м /кг;

К - выход цементного теста нормальной густоты, части от единицы. В наших исследованиях коэффициенты имели следующие значения: а = 1,25; К = 0,5.

Удельную поверхность древесных частиц вуд заполнителя определяем по известной

методике и формуле, учитывающей поверхность кромок и торцов [4]:

2 111

вуд = - 7+Ь+а ,

где р - средняя плотность древесины, г/см ; 7, Ь, а - соответственно длина, ширина, толщина единичной частицы заполнителя, см.

В результате аналитических и экспериментальных исследований получены выражения для определения предела прочности арболита из термомодифицированных древесных частиц в зависимости от условий эксплуатации:

- при эксплуатации в сухих условиях (без увлажнения):

сбезувл. = 1,3453 + 0,0859Т 0,0012Т2 + 6,8085 10 6 Т4 +675 5+ 50000 8.

- при эксплуатации в условиях переменной влажности

3,452 0,0498Т + 0,0002Т2 2,6664 10 7 Т3 +5,7851 5+30290,544

а

сувл 1 0,0122Т + 3,5372 10 5Т2 +30,3762 5 .

Таким образом, полученная математическая модель позволяет прогнозировать предел

прочности арболита на сжатие в зависимости от рецептуры и режима обработки древесного наполнителя.

В результате проведенных экспериментальных исследований основных свойств композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины и минеральных вяжущих, впервые показана возможность использования данного вида обработки древесного наполнителя для улучшения эксплуатационных характеристик композиционного материала. Термическое воздействие в диапазоне температур 180-210°С существенно увеличивает эксплуатационные характеристики арболита, повышая его влагостойкость. Арболит, изготовленный из древесных частиц, прошедших термическую обработку без доступа кислорода, целесообразно применять при эксплуатации во влажных условиях.

Литература

1 Хасаншин, Р.Р. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК-спектрометра / Р.Р. Хасаншин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9. - С. 198-203.

2. Разумов, Е.Ю. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Н.А. Оладышкина // Вестник Московского гос. ун-та леса «Лесной вестник» .

- 2010. - №4(73). - С. 542-546.

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

4. Наназашвили И.Х. Исследование адгезии в структуре конгломерата «древесина-цементный камень» / И.Х. Наназашвили // Совершенствование заводской технологии железобетонных изделий на предприятиях сельстройиндустрии. М., 1979.

© Р. Р. Хасаншин - 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; Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, Olambis@rambler.ru; Ф. Г. Валиев - асп. той же кафедры.