Совершенствование технологии производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и минеральных вяжущих

Российская Федерация, лидируя в мире по лесным ресурсам, катастрофически отстает по производству конкурентных товаров’на основе древесины. Технологическая отсталость деревообрабатывающей промышленности России от мирового уровня может принять необратимый* характер в связи с тем-, что развитые страны, даже с ограниченными лесными ресурсами, — например Япония, приступили к разработке и использованию нанотехнологий и наноматериалов в «производстве товаров с повышенными и новыми потребительскими свойствами на основе древесины. Таким образом, требуется энергоресурсосберегающая технология по глубокой переработке древесины, позволяющая пересмотреть вопросы рационального использования древесины, в том числе низкосортной для производства древесно-композиционных материалов.

Актуальность. Ежегодный объем рубки мягколиственных пород древесины на территории Российской Федерации составляет менее 15% от расчетной лесосеки, определяющей научно-обоснованный и утвержденный приказом Рослесхоза объем [78]. Недоиспользование расчетной лесосеки по лиственным породам ведет к накоплению перестойных насаждений, снижает качественные показатели лесного фонда, ухудшает санитарное состояние и повышает пожарную опасность в лесах. Причем с каждым годом наблюдается тенденция снижения фактического использования расчетной лесосеки — на 1,5−2,0%, что, в конечном счете, может привести к окончательному старению леса и невозможности его промышленного использования. Невысокий спрос на мягколиственные породы древесины вызван низкосортностью по сравнению с хвойными породами, поэтому их промышленное использование возможно только при глубокой переработке, в частности, при производстве композиционных материалов.

В отличие от нефти, угляи газа, древесина представляет собой широко распространенный возобновляемый ресурс природных самоорганизующихся материалов* с огромным потенциалом неиспользованных функциональных возможностей и областей применения. Реализация этого потенциала требует изучения структуры и механизмов самоорганизации древесины на наноуровне, то есть размерном масштабе наиболее эффективного технологического манипулирования* материалом. Контролируемая, модификация структуры и состава на этом уровне может привести к достижению-улучшенных и новых качеств широкого спектра материалов, например композитов. Однако древесный наполнитель, как и многие другие органические целлюлозные наполнители, наряду с присущими им ценными свойствами (малая средняя плотность, легкость обработки, дешевизна и др.) имеет и отрицательные качества, которые затрудняют получение материала высокой прочности из. высокопрочных компонентов:

— повышенная химическая агрессивность;

— значительные объемно-влажностные деформации и развитие давления набухания;

— резко выраженная анизотропия;

— 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 физико-химических воздействиях на древесное сырье, таких, которые приводили бы к его модифицированию для повышения качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции на его основе.

Одними из перспективных способов повышения качества древесно-конструкционных материалов на стадии производства является модификация древесного наполнителя в потоке высокочастотной плазмы пониженного давления и его термическая обработка.

Результаты исследований, выполненных в последнее время, показывают, что в отличие от других видов электрофизических методов обработки древесины, обработка с помощью высокой температуры и высокочастотной плазмы пониженного давления позволяет производить объемную модификацию капиллярно-пористых коллоидных материалов, в результате чего происходят такие изменения физико-механических характеристик, которые получить другими методами невозможно. [1, 75, 141]. В частности обработка ВЧ плазмой пониженного давления позволяет улучшить одновременно несколько свойств материала (увеличить смачиваемость, гигроскопичность и т. п.), не ухудшая остальные. Это дает основание предположить возможность применения ВЧ плазмы пониженного давления в процессах изготовления композиционных материалов из древесного сырья. Однако, пока в этой области отсутствуют систематические экспериментальные и теоретические исследования, дающие полное представление об изменениях свойств древесных материалов.

В то же время известна технология термической обработки пиломатериалов, которая позволяет снизить гигроскопичность и развитие давления набухания, однако данная технология в производстве композиционных материалов до сих пор не была апробирована.

В связи с этим работа, направленная на решение задачи создания новых или усовершенствования существующих технологий производства древесно-наполненных композитов является актуальной задачей.

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете при поддержке гранта в номинации МИЛ по теме «Исследование влияния свойств древесины на процесс контактного термомодифицирования с целью получения строительного материала с заданными свойствами» 2008;2009 гг и при поддержке гранта в номинации СТАРТ 10 по теме «Разработка технологии и опытной установки вакуум-контактного термомодифицирования древесных материалов» 2010;2011 гг.

Цель работы состоит в разработке ресурсосберегающих технологий производства древесно-наполненных композитов на основе минеральных вяжущих путем модификации структуры и состава древесного наполнителя физико-химическими методами.

В! связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующих способов обработки древесного наполнителя, а также обзор современного состояния композиционных материалов на основе древесины. Анализ процессов, протекающих в капиллярно-пористых материалах, при их модификации. ВЧ плазмой пониженного давления и термической обработке.

2. Экспериментальная оценка воздействия высокочастотной плазмы пониженного давления, а также высокой температуры без доступа кислорода воздуха на физические свойства, химический состав и структуру древесного наполнителя.

3. Разработка математической модели, позволяющей прогнозировать прочностные свойства композиционного материала на основе древесных частиц и минерального вяжущего в зависимости от рецептуры, а также режимов обработки древесного сырья.

4. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологических процессов производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей, обеспечивающих повышение экономической эффективности производства, вследствие улучшения физико-механических характеристик продукции и возможности придания композитам специальных свойств.

Научная новизна.

Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на модификацию древесины с целью получения качественного композиционного материала на его основе:

1. Исследованы процессы смачивания, адгезии и поверхностные явления применительно к производству композиционных материалов < на основе древесных наполнителей, подвергнутых высокочастотной плазменной обработке пониженного давления* и высокотемпературной обработке без доступа кислорода воздуха, в результате чего разработаны режимные параметры соответствующей обработки древесных частиц с целью повышения их смачивающейся способности и адгезионных свойств.

2. На основании результатов исследования влияния высокочастотной плазмы пониженного давления на древесину впервые показана возможность использования данного вида обработки для комплексного улучшения технологических характеристик древесного сырья" при производстве композиционных материалов за счет модификации микрои наноструктуры тела. Установлено, что вследствие обработки ВЧ разрядом пониженного давления, древесина приобретает новые сочетания свойств без изменения химического состава: в результате увеличения размеров пор повышается смачиваемость древесного наполнителя более чем на 50%, что приводит к улучшению адгезионных свойств древесины и повышению прочности древесно-цементных композиционных материалов, эксплуатируемых в условиях невысокой влажности.

3. По результатам исследований влияния высокотемпературной обработки древесного сырья без доступа кислорода воздуха доказана целесообразность использования данного вида обработки в производстве древесно-цементных композиционных материалов с целью повышения их эксплуатационных характеристик: установлено, что предварительная высокотемпературная обработка существенно снижает содержание «цементных ядов» в древесине, уменьшает гигроскопичность и развитие давления набухания и, как следствие, позволяет создать композиционный материал, устойчивый к эксплуатации в условиях высокой влажности.

4. Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать предел прочности на сжатие арболита в зависимости от соотношения компонентов в смеси, режимов обработки древесного наполнителя, а также условий эксплуатации готовой продукции.

5. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований разработаны технические и технологические рекомендации по совершенствованию технологических процессов производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и минеральных вяжущих. Рекомендованы рациональные технологические режимы, обработки древесного наполнителя. Разработан способ изготовления арболита, новизна способа подтверждена патентом РФ.

Практическая ценность^ заключается в разработке ресурсосберегающей технологии производства древесно-наполненных композиционных материалов, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками: предел прочности арболита на сжатие увеличился более чем на 80%, создан арболит для эксплуатации во влажных условиях.

Разработаны экспериментальные установки и методики исследований высокотемпературной обработки древесного наполнителя без доступа кислорода воздуха.

Разработаны способ и конструкция установки для" термической модификации древесных частиц в промышленных масштабах.

Реализация работы. Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на предприятии ООО «НПП «Термотехнологии». Усовершенствование технологии производства арболита на данном предприятии позволило > получить годовой экономический эффект свыше 1,5 млн руб.

Теоретические положения производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и методики экспериментальных исследований, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология композиционных материалов» и «Основы строительного дела».

Автор защищает:

1. Результаты влияния ВЧ плазмы пониженного давления и высокотемпературной обработки без доступа кислорода воздуха на показатели древесного наполнителя, обеспечивающие улучшение основных эксплутационных и потребительских характеристик древесных композиционных материалов.

2. Математическую модель расчета предела прочности арболита на сжатие в зависимости от соотношения компонентов в смеси, параметров плазменной или термической обработки древесного наполнителя, а также в зависимости от влажностных условий эксплуатации готовой продукции.

3. Технологию изготовления композиционного материала из модифицированного древесного сырья, рациональные технологические режимы обработки древесного наполнителя, а также результаты-промышленных испытаний.

4. Способ и конструкцию установки термической модификации древесных частиц и результаты исследования эффективности выполненных разработок.

Личный вклад автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора разработаны лабораторные установки, обоснованы методики экспериментов, выполнены опыты, проанализированы и обобщены полученные результаты, разработаны технологические процессы с применением высокочастотной плазмы пониженного давления и термической модификации древесного наполнителя, а также проведены промышленные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях по технологическим процессам КГТУ (Казань) и на международных конференциях «Перспективы развития лесного и строительного комплексов, подготовки инженерных и научных кадров на пороге XXI века» (Брянск), «Композиционные материалы на основе древесины» (Москва), «Композиционные материалы в авиастроении и народном хозяйстве» (Казань), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда), «Биоэнергетика и биотехнологии — эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки» (Москва), «ММТТ-23» (Саратов), «Будущее машиностроения России» (Москва).

Технология термической модификации древесины удостоена серебряной медали на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьив журналах, рекомендованных ВАК, и патент РФ № 2 345 886 на способ изготовленияизделий из композиционных материалов, преимущественно арболита.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Выводы.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать технологический процесс по изготовлению-изделия из композиционного материала на основе модифицированной" древесины, который прошел промышленную апробацию в условиях производства на предприятии ООО «НПП «Термотехнологии». Новизна способа изготовления композиционных материалов подтверждена патентом РФ.

В результате технико-экономического анализа предложено, на предприятиях где' не осуществляется, термомодификация пиломатериалов, термически обрабатывать древесный наполнитель в установке высокотемпературной сушки, и тепловой обработки древесного сырья, в которой используется тепло дымовых газов. При помощи данной, установки можно осуществить высокотемпературную обработку древесины при температурах более 180 °C, при. которых происходит модификация древесного сыпучего сырья, снижающая его гигроскопические свойства и, тем самым, способствующая повышению эксплуатационных характеристик древесно-наполненных композитов.

Проведенный технико-экономический анализ подтвердил эффективность внедрения высокочастотной плазменной и термической методов модифицирования в промышленность, поскольку наблюдается повышение рентабельности продукции вследствие повышения эксплуатационных характеристик: в случае с термообработкойвозможности использования при больших перепадах влажности в процессе эксплуатации, а в случае с ВЧ обработкой — за счет снижения расхода цементного вяжущего и, тем самым, снижения уровня зависимости от поставщиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Интенсивная-вырубка деревьев с целью пополнения запасов деловой древесины истощает запасы леса в традиционных лесозаготовительных районах, приводит к снижению площадей, лесных насаждений и нарушению* экологического равновесия. В. настоящеевремя имеются реальные возможности снизить потребление традиционных лесных ресурсов" и уменьшить" нагрузки* на экосистемы, благодаря более полному (глубокая переработка) использованию лесных продуктов, низкосортной древесины и I отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки для изготовления новых конструкционных материалов и изделий предприятиями строительной индустрии, лесной и деревообрабатывающей промышленности.

Как показал анализ литературных источников, в. настоящее время-проблема качественного использования самой древесины, а также отходов деревообработки приобретает несомненную актуальность, как в России, так и в мире. Поэтому разработка ресурсосберегающих технологий по модификации свойств древесины с целью ее дальнейшего использования в композиционных материалах является актуальной задачей.

В то же время анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что в последние годы всё большую популярность находят процессы термомодифицирования древесины, поскольку позволяют значительно повысить ее качественные характеристики без использования химических средств защиты.

Также в последние годы активно" ведутся исследования в области высокочастотной плазменной обработки различных материалов, в том числе и древесины.

В данной работе проведены исследования и разработаны способы модифицирования древесины для возможности ее дальнейшего использования в композиционных материалах с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Разработаны экспериментальные установки и методики исследований высокотемпературной обработки древесного наполнителя без доступа кислорода воздуха.

Разработаны способ и конструкция установки для§термической модификации древесных частиц в промышленных масштабах-.

На основании результатов исследования влияния высокочастотной плазмы пониженного давления на древесину впервые показана возможность использования данного вида обработки для комплексного улучшения технологических характеристик древесного сырья при производстве композиционных материалов за счет модификации микрои наноструктуры тела. Установлено, что вследствие обработки ВЧ разрядом пониженного давления, древесина приобретает новые сочетания свойств без изменения химического состава: в результате увеличения, размеров пор повышается смачиваемость древесного наполнителя, что приводит к улучшению адгезионных свойств древесины и повышению прочности древесно-цементных композиционных материалов, эксплуатируемых в условиях невысокой влажности.

По результатам исследований влияниявысокотемпературной обработки древесного сырья без доступа кислорода воздуха доказана целесообразность использования данного вида обработки в производстве древесно-цементных композиционных материалов^ с целью повышенияих эксплуатационных характеристик: установлено, что предварительная высокотемпературная обработка существенно снижает содержание «цементных ядов» в древесине, уменьшает гигроскопичность и развитие давления набухания и, как следствие, позволяет создать композиционный материал, устойчивый к эксплуатации в условиях высокой влажности.

Установлены параметры ВЧ плазменной обработки, позволяющие получить древесный наполнитель с высокими эксплуатационными свойствами применительно для изготовления композиционного материала: 0^=1,2 кВт, Р=13,3 Па, 0,04 г/с, 1 = 5 мин.

Термическое воздействие в диапазоне температур 180−210°С существенно увеличивает эксплуатационные характеристики арболита, повышая его влагостойкость.

Разработана физическая и математическая модель, позволяющая определить предел прочности арболита из ВЧ обработанных и термомодифицированных древесных частиц. В результате проверки на адекватность было установлено, что расхождение между расчетными и экспериментальными точками находится в пределах 7%.

Предложено усовершенствование технологии изготовления арболита в зависимости от требуемых эксплуатационных характеристик. Новизна способа подтверждена патентом РФ.

Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию на предприятии ООО «НПП «Термотехнологии». Усовершенствование технологии производства арболита на данном предприятии позволило получить годовой экономический эффект свыше 1,5 млн руб.

В результате технико-экономического анализа предложено, на предприятиях где не осуществляется термомодификация пиломатериалов, термически обрабатывать древесный наполнитель в установке высокотемпературной сушки и тепловой обработки древесного сырья, в которой используется тепло дымовых газов.

Технология термической модификации древесины удостоена серебряной медали на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2010 г.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Основные обозначения:

КДМ — композиционный древесный материал;

ДПКТ — древесно-полимерный композит на термопластичном связующем;

КОРТ — кубовые остатки ректификации толуола;

МДП — прессовочная древесная масса;

ПДНК — полимерный древесно-наполненный композит;

СВЧ — сверх высокочастотный;

НТП — низкотемпературная плазма;

ИК — инфракрасный;

УФ — ультрафиолетовый;

ВЧ — высокочастотныйр — мощность разряда;

В/Ц — водовяжущее отношение (водоцементное соотношение) — ПФП — полный факторный планА — адгезионная прочность, Пав — расход газаТ — температура, КР — давление, ПаШ — масса, кгV — объем, м3- р — плотность, кг/м3- И — влагосодержание материала, кг/кгЭ — краевой угол смачивания, градN — мощность, ВтI — длина капли, мм;

Ц — расход цемента на 1 м³ композита, кго.

Д — расход древесной дробленки на 1 м композита, кга' - коэффициент, учитывающий технологические свойства КДМвуд — удельная поверхность древесной дробленки, м2/кг;

К — коэффициент выхода цементного теста нормальной густотыа — толщина единичной частицы наполнителя, ммb — ширина единичной частицы наполнителя, мм;

Т — текущее время, сg — предел прочности, Пах, у, z — координаты, м;

АУ — дифференциальная усадка материала, мкм;

Ф — степень насыщения, %;

8наб, — относительная деформация набухания, %;

8 — толщина прослойки связующего, м;

Индексы: м — материалсм — парогазовая смесьсж — сжатиенаб — набуханиеср — средашах — максимальныйmin — минимальныйост — остаточноеа — анодн — начальныйрав — равновесноец — цементуд — удельная поверхностьрасч — расчетнаятаб — табличнаяатм — атмосферное.