WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Целенаправленный выбор стабилизатора уплотненной древесины для придания ей формоустойчивости определяется в первую очередь условию, чтобы линейное разбухание прессованной древесины было на уровне линейного разбухания натуральной древесины, то есть исключить распрессовку прессованной древесины и получить возможность использовать полученный материал, в качестве железнодорожных шпал.

В качестве стабилизатора форм и размеров прессованной древесины выбраны олигомеры и полимеры на основе карбамидоформальдегидных смол (КФС).

По полученным микрофотографиям структуры древесины рисунок 1 а и б можно увидеть, что раствор стабилизатора на основе КФС, подкрашенный пищевым красителем, поступая под давлением в древесину, проходит по длине сосуда в продольную веретеновидную древесную паренхиму, затем через простые и полу окомленные поры стабилизатор поступает в сердцевинные лучи. На внутренней поверхности сосуда имеющей микро впадины оседая стабилизатор, образует пленку, которая в последствии после полимеризации является фактором повышения формоустойчивости (рисунок 1а). Помимо этого лестничныеперфорации сосудов так же пропитываются стабилизатором, и после полимеризации выключают сосуды из водопроводящей системы (рисунок 1б).

1 – проникновение стабилизатора в содержимое древесной паренхимы;
2 – проникновение стабилизатора в содержимое сердцевидного луча;
3,4 – оседание стабилизатора на внутренней поверхности сосуда;
5 – проникновение стабилизатора в лестничныеперфорации сосудов.

Рисунок 1, а – микрофотография поперечного среза древесины березы пропитанной стабилизатором (УВх200).

б - микрофотография продольного среза древесины березы пропитанной стабилизатором (УВх200).

Полимеризация мономеров под действием радикальных инициаторов, перекисного и гидроперекисного типа можно представить в виде полимерного стабилизатора:

(1)

где R1; R2 – структурные звенья одного или различных типов исходных мономеров (формальдегида и карбамида).

С точки зрения структуры и функционального состава, наилучшими предпосылками для взаимодействия полимерного стабилизатора с целлюлозными компонентами древесины, будет обладать линейная макромолекула, в основной цепи которой преобладают простые одинарные связи, и содержащая кислородные группы (гидроксильные и карбоксильные).

Выбор КФС в качестве стабилизатора уплотненной древесины и, в частности, железнодорожных шпал из уплотненной древесины березы определен исходя из доступности, невысокой токсичности, стоимости и так же достаточно высоких физико-механических свойств конечного продукта за счет способности при отверждении взаимодействовать с компонентами древесины, выполняя при этом роль сшивающего агента.

Можно предположить, что возможны следующие механизмы стабилизации уплотненной древесины: 1) в щелочной среде при t не более 40°С вероятнее всего карбамид с формальдегидом образует преимущественно моно-и диметилолмочевины; 2) вязкие растворы образуются при нагревании таких растворов до 100 °С в слабощелочной среде () происходит поликонденсация монометилолмочевины с образованием макромолекул линейного строения.

Реакция взаимодействия целлюлозы и монометилолмочевины с образованием сложных эфиров может проходить по следующей схеме:

(2)

Так же возможно, что стабилизатор взаимодействует с лигнином. Лигнины представляют собой аморфные высокомолекулярные соединения аромотической природы, построенные из фенил пропановых звеньев.

Взаимодействие монометилолмочевины с фрагментом молекулы лигнина можно представить в виде схемы:

(3)

В третьем разделе представлены методики отбора образцов, пропитки, сушки и прессования, изучения микроструктурных признаков, проведения испытаний физических и механических свойств формоустойчивой прессованной древесины. Приведена методика планирования эксперимента и статистического анализа результатов испытаний физико-механических свойств.

Методика отбора и подготовка образцов включает в себя выбор образцов здоровой и фаутной древесины березы, и фаутной древесины осины в количестве 15 штук каждого вида. Размеры образцов 55х55х90мм (последний размер - вдоль волокон), влажностью 8-12%, определенной весовым методом, обмерялись, взвешивались, результаты измерений записывались в таблицы.

Древесина мягких лиственных пород диаметром 25см и более, используемая для изготовления шпал на 60-70% поражена в центральной зоне гнилью, что определяет необходимость модификации как здоровой, так и фаутной зоны.

Образцы здоровой древесины березы, изготовленные в соответствии с ГОСТ 16483-86, согласно ГОСТу при подготовке образцов осуществлялся контроль над качеством образцов. Не допускались к использованию образцы с трещинами, сучками, гнилью и другими дефектами. Характеристика фаутной древесины представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика фаутной древесины

Древесина

Начальная

плотность, кг/м3

Начальная

влажность, %

Стадия гниения

Тип гнили

Место расположе-ние гнили

Береза

фаутная

462

8-12

2 я

Белая

волокнистая

ложное ядро

Осина фаутная

387

8-12

2 я

Белая

волокнистая

ложное ядро

Образцы из фаутной древесины березы выпиливались из круглого древостоя диаметром 28 – 30см. При таком диаметре средний возраст древостоя составляет до 40 лет и центральную гниль еще возможно сшить при помощи стабилизатора. При изготовлении заготовок для шпал, возможно, использовать древостой диаметром от 25 до 40 см. При таком диаметре средний возраст древостоя от 40 до 60 лет. Центральная гниль у древостоя березы в возрасте более 60 лет сшивки стабилизатором не возможна.

Методика пропитки образцов заключается в приготовлении стабилизатора и введении его в древесину. Первый способ стабилизации был проведен при пропитке древесины мономерами. Был взят раствор карбамида, формальдегида и воды в соотношении соответственно 1:1:3, 20% - карбамида, 20% - формалина, 60% - воды с добавлением 1% аммиака от массы раствора для создания щелочной среды. При этом в процессе сушки, прессования и термообработки мономеры полимеризовались с образованием карбамидоформальдегидной смолы и отверждались. Второй способ стабилизации осуществлялся при пропитке древесины ранее синтезированным нами стабилизатором - карбамидоформальдегидным концентратом марки
КФК – 10. Третий способ стабилизации был проведен при пропитке древесины карбамидоформальдегидной смолой марки КФЖ.

В древесину вводили 85% данного стабилизатора. Сухой остаток стабилизатора должен быть не менее 20% по отношению к массе абсолютно сухой древесины.

Пропитка полученными стабилизаторами проводилась поочередно тремя способами: методом горяче-холодных ванн, на ультразвуковой установке марки УЗК 4-001. и экспериментальной пропиточной установке с торца под давлением. Степень пропитки определялась весовым способом.

Пропитанные стабилизатором образцы размером 55х55х90мм (последний размер вдоль волокон), подсушивались в сушильном шкафу до влажности 15% - 20% и укладывались в кассеты и далее в пресс-форму. Прессование осуществлялось в пресс-форме, на испытательной машине ZDMU-30. Последней стадией изготовления образцов является термообработка продолжительностью 2 - 3 часа при температуре от 100С до 160С. Данная операция проводится для полной полимеризации стабилизатора в древесине и фиксации размеров образцов.

Методика определения физических свойств, таких как объемное разбухание при водопоглощении ГОСТ 9629-81, объемное разбухание при влагопоглощении ГОСТ 9629-81, водопоглощние ГОСТ 21523.5-77, влагопоглощение ГОСТ 21523.6-77. Механические свойства: ударная вязкость ГОСТ 20571-75, статическая твердость ГОСТ 13338-75, предел прочности при сжатии поперек волокон ГОСТ 16483.11-73, упругие деформации
ГОСТ 13338-75, остаточные деформации ГОСТ 13338-75, предел прочности при сжатии вдоль волокон ГОСТ 16483.10-73. Испытания уплотненной древесины при переменных нагрузках является практически не исследованным. Методы испытаний на усталость при эксплуатационных режимах нагружения рекомендует форму образца для металлов, которая не может быть принята для формоустойчивой уплотненной древесины. Поэтому форма образца разработана применительно к конструкции зажимных устройств испытательной машины МВП 10000. Диаметр рабочего сечения принимаем равным d = 12 мм ±0,01.

В четвертом разделе представлены результаты предварительных экспериментов по определению объемного разбухания при водопоглощении, объемного разбухания при влагопоглощении, водо и влагопоглощения формоустойчивой уплотненной древесины. В качестве стабилизаторов использовались: 1) смесь формалина (СН2О) - 20%, карбамид (NH2СО NH2) -20% и воды – 60%, 1% аммиака; 2) карбамидоформальдегидный концентрат марки КФК-10, ТУ 2181-032-00203803-2003; 3) карбамидоформальдегидная смола марки КФЖ. В качестве материала использовалась здоровая и фаутная древесина березы, и древесина осины фаутной. Степень прессования составляла 35%, при этом плотность образцов возрастала для здоровой березы в среднем с 650 кг/м3 до 800 кг/м3, для фаутной березы с 460 кг/м3 до 700 кг/м3, для фаутной осины с 380 кг/м3 до 500 кг/м3. Температура термообработки составляла 140С, эксперимент по определению формоустойчивости проводился в течение 30 суток, замеры проводились по истечению 1, 3, 6, 10, 30 суток.

По полученным результатам установлено, что лучшие результаты получены при пропитке древесины стабилизатором КФК для всех испытанных пород древесины. Показатель предела прочности при сжатии вдоль волокон фаутной древесины достигает после введения и отверждения стабилизатора КФК прочности натуральной древесины и соответствует для березы фаутной 65,7 МПа, осины фаутной 46,5 МПа, прочность здоровой древесины березы после пропитки и прессования составляет - 106,2 МПа.

Таким образом, после стабилизации и прессования древесины с фаутной зоной мы имеем материал по прочности в периферийной зоне достигающий прочности дуба, в центральной зоне – прочности здоровой древесины березы и осины.

Оценивая результаты, предварительных экспериментов и, учитывая доступность, экологичность, стоимость, исследованность свойств стабилизатора был выбран в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидный концентрат марки КФК.

Обработка матрицы экспериментальных данных для здоровой и фаутной древесины березы повышенной формоустойчивости позволила получить математические модели учитывающие концентрацию стабилизатора К, степень прессования, температуру термообработки T. После проверки значимости коэффициентов регрессии уравнения будут выглядеть следующим образом. Для здоровой древесины березы математические модели имеют вид:

Объемное разбухание при водопоглощении:

(4)

Усталостная прочность при чистом изгибе:

(5)

Объемное разбухание при влагопоглощении:

(6)

Водопоглощение:

(7)

Влагопоглощение:

(8)

Для фаутной древесины березы математические модели имеют следующий вид:

Усталостная прочность при чистом изгибе:

(9)

Объемное разбухание при водопоглощении:

(10)

Объемное разбухание при влагопоглощении:

(11)

Водопоглощение:

(12)

Влагопоглощение:

(13)

Проверка гипотезы адекватности математических моделей производилась с помощью F-критерия (критерия Фишера). Для принятия гипотезы адекватности необходимо, что бы расчетное значение критерия Fрас было бы меньше табличного Fтаб. Значимость коэффициентов рассчитываются по t-критерию Стьюдента.

С целью определения оптимальных значений технологических параметров Xi, обеспечивающих повышенные показатели физико-механических свойств целевых функций Yi в результате повышения формоустойчивости прессованной здоровой и фаутной древесины березы была проведена многокритериальная оптимизация процесса. Для этого определяем направление оптимизации каждой функции. Направление оптимизации исследуемых функций отклика: объемное разбухание при водопоглощении, объемное разбухание при влагопоглощении, водопоглощение, влагопоглощение – min; усталостная прочность при чистом изгибе – max.

На входные контролируемые параметры накладывали ряд ограничений: концентрация стабилизатора, 10 К 30 %; степень прессования, 20 50 %; температура термообработки, 120 Т 160 С.

Используя для решения задачи многокритериальной оптимизации полученные обобщенные критерии, получаем оптимальные показатели входных и выходных величин для здоровой древесины березы: концентрация стабилизатора К=30%; степень прессования =20%; температура термообработки Т=160С. При этих параметрах оптимальные значения показателей свойств следующие: объемное разбухание при водопоглощении ; усталостная прочность при чистом изгибе ; объемное разбухание при влагопоглощении ; водопоглощение ; влагопоглощение. Для фаутной древесины березы оптимальные показатели входных и выходных величин следующие: концентрация стабилизатора К=10%; степень прессования =20%; температура термообработки Т=120С. Показатели свойств: усталостная прочность при чистом изгибе ; объемное разбухание при водопоглощении ; объемное разбухание при влагопоглощении ; водопоглощение ; влагопоглощение.

На рисунке 2 представлены данные по формоустойчивости здоровой и фаутной древесины, полученные по оптимальным режимам. Реальные деревянные шпалы всегда содержат маслянистый антисептик каменноугольное масло или ЖТК нефтяной – жидкость технологическая консервативная. Поэтому для получения достоверных данных о физико-механических свойствах прессованной древесины для шпал помимо стабилизатора в древесину вводился антисептик ЖТК. Чтобы обеспечить одновременное введение в древесину смеси стабилизатора и антисептика экспериментально подобрано необходимое количество водного раствора поверхностно активного вещества (ПАВ) - дрезината калия в количестве 6-8% от массы смеси в зависимости от соотношения стабилизатора и антисептика. Так же на время, при котором смесь не расслаивается, влияет интенсивность и время перемешивания.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»