ДРЕВЕСНЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВНЕШНИМ ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к области строительных материалов и может быть использована при изготовлении конструкционных деталей зданий, сооружений, корпусов и конструктивных деталей и узлов морских и речных судов из ламинированных древесных балок и плит, предназначенных для работы в средах, характеризующихся агрессивными воздействиями влаги, соленой морской воды, механических и химических воздействий.
Известно техническое решение [RU 142393, U1, В44С 5/04, 27.06.2014], состоящее из основы в виде древесно-стружечной плиты, на которую нанесено покрытие, выполненное из последовательно нанесенных четырех слоев грунта, при этом, на последний слой грунта нанесен слой праймера, на праймер нанесено изображение, а на него нанесен, по меньшей мере, один слой глянцевого или матового лака.
Недостатком этого технического решения является его относительно низкая устойчивость к внешним воздействиям, что обусловливает невозможность его использования как несущего конструкционного элемента зданий, сооружений, деталей и узлов корпусов морских и речных судов.
Еще одним аналогом предложенного технического решения является устройство [RU 108738, U1, В44С 5/04, 27.09.2011], содержащее древесную основу в виде древесно-стружечной плиты и защитное покрытие из акрилового стекла, выполненное прозрачным и неокрашенным толщиной не менее 2 мм, при этом, панель дополнительно содержит декоративный слой, нанесенный с тыльной стороны защитного акрилового покрытия с образованием защитно-декоративного слоя, а древесная основа и защитное покрытие соединены фиксирующим слоем.
Недостатком этого технического решения является его низкие физико-механические характеристики и относительно невысокие санитарно-экологические и пожарно-технические параметры, обусловленные тем, что, его древесная основа в виде древесно-стружечной плиты является горючей и экологически небезопасной, поскольку связующие смолы, которые применяются при ее производстве и эксплуатации, выделяют вредный для человека формальдегид.
в.э.
угл.
в.э.
угл.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является древесная панель [RU 88376, U1, E04F 13/12, В44С 1/22, 10.11.2009], содержащая основание и внешний слой, на лицевой поверхности которого размещены рельефные элементы, образующие рисунок, содержащий выпуклые элементы и/или углубления, причем, в рельефном рисунке, образованном упомянутыми элементами, выпуклые элементы выполнены с максимальным размером в плане в поперечнике до 25 мм, а углубления выполнены с шириной до 25 мм и с глубиной, не превышающей 0,95d, где d - толщина листового металла, причем рисунок выполнен с соблюдением условия S/S=0,05-19,0, где S - суммарная площадь выпуклых элементов, a S - суммарная площадь углублений, основание выполнено, например, из металла, и/или из ДСП, и/или из ДВП, и/или из МДФ, и/или из бумажно-слоистого пластика, и/или из фанеры, и/или из полимерного материала, например из ПВХ, и/или из эпоксида, и/или из полиэфира, и/или из полиуретана, и/или из меламина, и/или из поликарбоната, и/или из акрила, и/или из полистирола, и/или из полиэтилена, и/или из композиционного материала с полимерной связующей затвердевшей средой, например из стеклопластика, и/или из углепластика, и/или из полимеров с минеральными и/или слоистыми заполнителями, например из полиэтилена с добавлением кварцевого песка, и/или минеральных волокон, а внешний слой выполнен, например, из нержавеющей стали или из алюминиевого сплава, и/или из алюмоцинка, и/или из титана, и/или из биметалла, и/или из композиционного материала с толщиной d=0,01-5,0 мм и с глубиной рельефа внешнего слоя 0,001-3,0 мм.
Варианты реализации технического решения по [RU 88376] для случая основы и внешнего слоя из нержавеющей стали не являются легкими и отличаются чрезвычайно высокой стоимостью, также, как и для случая полностью композитной (стеклопластиковой и углепластиковой) основы.
Недостатками наиболее близкого технического решения по [RU 88376] для случаев основы из ДСП, и/или из ДВП, и/или из МДФ, и/или из бумажно-слоистого пластика, и/или из фанеры, и/или из полимерного материала, например из ПВХ, и/или из эпоксида, и/или из полиэфира, и/или из полиуретана, и/или из меламина, и/или из поликарбоната, и/или из акрила, и/или из полистирола, и/или из полиэтилена и внешнего слоя из алюминиевых сплавов, алюмоцинка, титана и из биметалла являются относительно низкие эксплуатационные характеристики, что проявляется при использовании балки или панели в условиях и средах, характеризующихся агрессивными воздействиями, влаги, соленой морской воды, механических и химических воздействий, в том числе горячего кислорода, особенно в условиях действия знакопеременных температур. Стоимость основы из полимерных материалов также остается слишком высокой. Для варианта внешнего слоя из тонкого нержавеющего, либо композитного листа на деревянной и бумажной основе по техническому решению [RU 88376] основным недостатком являются низкие физико-механические характеристики вследствие отсутствия силовой пропитки основы и усиливающей внешней мембраны, а также вследствие слабой адгезии внешнего металлического или композитного слоя к основе.
Задачей, которая решается в полезной модели, является повышение механической прочности в условиях физических и агрессивных химических воздействий.
Технический результат, который достигается при использовании устройства, заключается в повышении механической прочности.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в древесном конструкционном элементе с внешним защитным покрытием, содержащем древесную основу и внешнее защитное покрытие, согласно полезной модели, внешнее защитное покрытие является усиливающим защитным покрытием и выполнено в виде композитных лент, которые накладывают сплошными слоями на предварительно пропитанную водорастворимой эпоксидной композицией поверхность древесной основы и на которое наносят внешний мембранный слой из дисперсно-армированного микроволокнами водорастворимого эпоксидного покрытия, наполненного химически стойким дисперсным микрокристаллическим наполнителем с добавками углеродных нанокластеров фуллероидного типа тороидальной формы.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве композитных лент используют ленты из базальтопластика.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве композитных лент используют ленты из углепластика.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве композитных лент используют ленты из стеклопластика.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве композитных лент используют ленты из высокомодульного органопластика.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве микроволокон, которыми дисперсно армировано водорастворимое эпоксидное покрытие, используют металлические микроволокна.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве металлические микроволокон используют стальные микроволокна.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве металлические микроволокон используют титановые микроволокна.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве металлические микроволокон используют алюминиево-магниевые микроволокна
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве микроволокон, которыми дисперсно армировано водорастворимое эпоксидное покрытие, используют минеральные микроволокна.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве минеральных микроволокон используют базальтовые микроволокна.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве минеральных микроволокон используют, углеродные микроволокна.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве минеральных микроволокон используют высокомодульные стеклянные микроволокна.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве минеральных микроволокон используют полиарамидные микроволокна.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве водорастворимой эпоксидной композиции используют эпоксидную смолу с количеством эпоксидных групп 17-23%, водорастворимый аминный отвердитель, активный разбавитель типа лапраксид, в качестве средства дисперного армирования - короткие металлические, базальтовые, углеродные, высокомодульные стеклянные или полиарамидные микроволокна, химически стойкий дисперсный микрокристаллический наполнитель в виде микрокристаллического кварца, карбида кремния, микрокристаллического сапфира, или дифторида кальция, углеродные нанокластеры фуллероидного типа тороидальной формы, и, в качестве растворителя, воду со следующим соотношение компонентов:
- эпоксидная смола
от 8% масс. до 16% масс.
- водорастворимый аминный отвердитель
от 9% масс. до 18% масс.
- активный разбавитель (лапраксид)
от 1,4% масс. до 2,8% масс.
- базальтовые (углеродные, стеклянные, металлические,
полиарамидные) короткие волокна
от 2% масс. до 8% масс.
- химически стойкий наполнитель (дисперсный кварц,
карбид кремния, сапфир, дифторид кальция)
от 40,5% масс. до 55,95% масс.
- углеродные нанокластеры фуллероидного типа
тороидальной формы
от 0,0001% масс. до 0,1% масс.
- вода
от 14% масс. до 20% масс.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, при пропитке поверхности древесной основы используют водорастворимую эпоксидную композицию в количестве масс. % от 30 до 100 относительно количества дополнительно используемого водного растворителя.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве древесной основы используют монолитный брус.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве древесной основы используют многослойный клееный брус.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, число сплошных слоев во внешнем защитном покрытии равно 2.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, число сплошных слоев во внешнем защитном покрытии равно 3.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве углеродных нанокластеров фуллероидного типа тороидальной формы используют углеродные наночастицы фуллероидного типа тороподобной формы с соотношением диаметров тора и образующего его элемента от 3:1 до 10:1.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, базальтовые микроволокна имеют диаметр от 2 мкм до 20 мкм и длину от 40 до 500 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, углеродные микроволокна имеют диаметр от 2 мкм до 10 мкм. и длину от 40 до 200 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, высокомодульные стеклянные микроволокна имеют диаметр от 3 мкм до 15 мкм и длину от 60 мкм до 300 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве химически стойкого дисперсионного микрокристаллического наполнителя используют микрокристаллический кварц.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве химически стойкого дисперсионного микрокристаллического наполнителя используют микрокристаллический карбида кремния.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве химически стойкого дисперсионного микрокристаллического наполнителя используют микрокристаллический сапфир.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве химически стойкого дисперсионного микрокристаллического наполнителя используют микрокристаллический дифторид кальция.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, химически стойкий дисперсный микрокристаллический наполнитель представлен фракцией 0,05-0,5 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, нанокластеры фуллероидного типа тороидальной формы имеют средние размеры от 15 нм до 150 нм и соотношение диаметров тора и образующего его элемента от 3:1 до 10:1.
На чертеже представлена конструкция древесного конструкционного элемента с внешним защитным покрытием, в таблице приведены характеристики конструкция древесного конструкционного элемента с внешним защитным покрытием по заявляемому техническому решению в сравнении с прототипом (техническое решение RU 88376)
Древесный конструкционный элемент с внешним защитным покрытием содержит древесную основу 1 и внешнее защитное покрытие 2 из композиционного материала.
В древесном конструкционном элементе с внешним защитным покрытием усиливающее внешний защитное покрытие 2 выполнено в виде лент из композиционного материала 3, которые накладывают сплошными слоями на предварительно пропитанную водорастворимой эпоксидной композицией поверхность 4 древесной основы 1 и на которое наносят внешний мембранный слой 5 из дисперсно армированного микроволокнами водорастворимого эпоксидного покрытия, наполненного химически стойким микрокристаллическим дисперсным наполнителем с добавками углеродных нанокластеров фуллероидного типа тороидальной формы.
В частном случае в качестве лент из композитного материала 3 используют либо ленты из углепластика, либо ленты из базальтопластика, либо ленты из высокомодульного стеклопластика, либо ленты из полиарамидного органопластика. В качестве водорастворимой эпоксидной композиции, которую применяют для предварительно пропитки поверхности древесной основы 1 используют водоэмульсионную смесь эпоксидной смолы, активного разбавителя - лапраксида и водорастворимого аминного отвердителя со следующими соотношениями компонентов: эпоксидная смола - от 4% масс. до 10% масс., активный разбавитель - от 0,7% масс. до 3% масс., водорастворимый аминный отвердитель - от 4,4% масс. до 11% масс., вода - от 76% масс. до 90,9% масс. Число защитных слоев - лент из композитного материала 3, которые накладывают сплошными слоями на поверхность древесной основы 1, преимущественно равно или 2, или 3. В качестве внешнего мембранного слоя 5, используют отвержденный водоэмульсионный эпоксидный полимер, дисперсно армированный металлическими, или минеральными микроволокнами (базальтовыми, углеродными, стеклянными или полиарамидными), наполненный химически стойким дисперсным микрокристаллическим наполнителем, в качестве которого используют микрокристаллический кварц, карбид кремния, микрокристаллический сапфиром или дифторид кальция с добавкой углеродных нанокластеров фуллероидного типа тороидальной формы,
Кроме того, дисперсные микрокристаллические кварц, карбид кремния, сапфир или дифторид кальция имеют не нарушенную механической обработкой кристаллическую структуру и фракцию 0,05-0,5 мм, а углеродные нанокластеры фуллероидного типа тороподобной формы имеют отношение диаметров тора к диаметру образующего тор элемента от 3:1 до 10:1 и концентрацию от 0,0001% до 0,1%
Древесный конструкционный элемент с внешним защитным покрытием изготавливают следующим образом.
Монолитной, либо клееной древесной, например, балке или плите после высушивания до минимальной влажности (менее 3 масс %) механической обработкой придают необходимую форму и размеры. После формообразования поверхность деревянного кострукционного элемента со всех сторон пропитывают разбавленной водой водорастворимой эпоксидной композицией. После полимеризации первого пропитывающего слоя в естественных условиях поверхность деревянного кострукционного элемента пропитывают водорастворимой эпоксидной композицией с более высокой концентрацией, например, 80%. Заполимеризованные приповерхностные слои высушивают при температуре 40-60°C в течение суток. После сушки на противоположные грани деревянного кострукционного элемента инфузией наносят 2-3 слоя ленты из высокомодульного базальтопластика (углепластика, стеклопластика, либо органопластика). После полной полимеризации полимерной матрицы при температуре 40-50°C в течение 2-3 суток на всю поверхность деревянного конструкционного элемента наносят мембрану из дисперсно-армированного водорастворимого полимера, наполненного химически стойким дисперсным микрокристаллическим наполнителем с добавкой углеродных нанокластеров фуллероидного типа тороидальной формы по предлагаемому техническому решению. Нанесенную мембрану выдерживают в течение 7-10 суток при нормальных условиях до полной полимеризации и полного высыхания водорастворимого эпоксидного полимера. Полученная таким образом готовая деталь поступает на сборку требуемой конструкции, или на склад готовой продукции.
Для проверки качества деревянного конструктивного элемента при изготовлении древесной балки или плиты по описанной технологии одновременно с изделием такую же обработку проходили деревянные контрольные образцы-свидетели (кубы размерами 40×40×40 мм, 70×70×70 мм и 100×100×100 мм, а также балки размерами 100×100×400 мм, которые поступали на испытания выходного контроля.
Испытания на прочность на сжатие и на прочность на растяжение при изгибе производят по ГОСТ 10180-90. Испытания на класс по водонепроницаемости производят по ГОСТ 12730.5. Испытания по определению плотности проводили по ГОСТ 27005. Ускоренные испытания на химическую стойкость производят кипячением контрольных образцов в 30% серной кислоте в течение 24 часов, испытания на устойчивость в гидроксидах натрия и калия производят кипячением контрольных образцов в водных растворах щелочей с рН=14 при температуре 100°C в течение 180 часов.
В качестве образцов сравнения изготовили образцы деревянной панели по техническому решению RU 88376, в которых в качестве основы используют древесно-стружечную плиту в виде куба размерами 100×100×100 мм и в виде балки размерами 100×100×400 мм, на внешней поверхности которых закрепляли (приклеивали) листы углепластика толщиной 0,5 мм.
Результаты проведенных испытаний представлены в таблице.
Устойчивость к горячей плавиковой кислоте определяли применительно к составу 4 ПМ, в котором во внешней мембране в качестве химически стойкого дисперсного наполнителя материала использовали дифторид кальция, а в качестве дисперсно-армирующих мембрану микроволокон использовали углеродные микроволокна. В этом случае требование устойчивости к воздействию плавиковой кислоты при температуре до 40°C в течение не менее 180 часов выполнялись.
Используют древесный конструкционный элемент с внешним защитным покрытием следующим образом.
Он используется, преимущественно, при изготовлении несущих конструкционных элементов зданий, сооружений и конструкций деталей и узлов морских и речных судов, предназначенных для работы в средах, характеризующихся агрессивными воздействиями влаги, соленой морской воды, механических и температурно-знакопеременных химических воздействий.
Предложенная конструкция древесного конструкционного элемента с внешним защитным покрытием обладает высокой механической прочностью (не менее 6 МПа на сжатие и не менее 50 МПа на растяжение при изгибе), высокой водонепрницаемостью (не менее W18) и химической стойкостью (устойчивость в 30% серной кислоте при температуре 100°C в течение не менее 24 часов, в плавиковой кислоте при температуре 40°C в течение 180 часов и в растворе гидроксидов натрия и калия с рН=14 при температуре 100°C в течение не менее 180 часов).
Этим самым достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении механической прочности с учетом работы в условиях механического и химического воздействия.
Стоимость древесного конструкционного элемента с внешним защитным покрытием по предлагаемому техническому решению не менее, чем в 1,3 раза меньше, чем для прототипа из ДСП основы и внешнего слоя с той же плотностью. Это определяет улучшение экономических показателей предложения.