WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ПАНОВ НИКОЛАЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОСОРТНОЙ ОСИНЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОПОРОШКА ШУНГИТА

05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Петрозаводск – 2012

Работа выполнена на кафедре технологии металлов и ремонта федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»

Научный консультант: Питухин Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Чубинский Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии лесопиления и сушки древесины ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» Саливоник Александр Владимирович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры целлюлознобумажных и деревообрабатывающих производств ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Защита состоится 21 декабря 2012 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 на базе ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан « » ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Р. В. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение В основных направлениях развития производства древесностружечных плит (ДСтП) намечены и реализуются планы по повышению качества продукции за счет применения низких сортов древесины и модернизации технологии производства ДСтП, в частности, модифицирования клеевых растворов. В связи с увеличением производственных мощностей, в последние годы обнаруживается тенденция снижения запасов качественного древесного сырья, его дефицитности, и возникает необходимость вовлечения в технологию низкокачественных сортов древесины, не находящих применения из-за несоответствия их приемочным требованиям, но при этом сохранении физико-механических показателей готовой продукции.

Помимо этого, на территории Карелии существуют большие запасы природного минерала шунгита, который, на данный момент используется не эффективно, но его возможное применение является актуальным в исследовании производства ДСтП.

Настоящая работа посвящена исследованию возможности получения древесно-стружечных плит с показателями физико-механических свойств соответствующими требованиям, предъявляемыми к плитам общего назначения по ГОСТ 10632-2007. При этом в качестве сырья использовалась низкосортная древесина осина. В качестве добавки, позволившей повысить физико-механические показатели плит и снизить эмиссию свободного формальдегида, использовался наноструктурированый порошок шунгита (НПШ).



Актуальность темы обусловлена необходимостью расширения сырьевой базы, повышения эффективности производства и качества древесно-стружечных плит за счет внедрения в производство шунгитового наноматериала.

Цель исследования. Повышение качества древесно-стружечных плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины и клеевых растворов на базе карбамидоформальдегидных смол различных марок с использованием наноструктурированного порошка шунгита.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить зависимость влияния количества добавки наноструктурированного порошка шунгита на физико-механические свойства плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины.

2. Установить зависимость влияния количества добавки наноструктурированного порошка шунгита на токсичные свойства плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины.

3. Установить влияние марки смолы, в которую добавляют наноструктурированный порошок шунгита, на физико-механические свойства плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины.

4. Установить влияние макроструктуры на предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти древесно-стружечной плиты.

5. Определить технологические свойства клеевых растворов на базе карбамидоформальдегидных смол, изготовленных с использованием наноструктурированного порошка шунгита.

Научная новизна.

1. Экспериментально исследована и доказана возможность изготовления ДСтП общего назначения из древесного сырья, содержащего 60 % осины с включением в нее до 30% гнили.

2. Экспериментально установлено значение величины добавки наношунгитового порошка в клеевой раствор для производства ДСтП, обеспечивающее наилучшие показатели физико-механических свойств.

3. Разработана математическая модель, описывающая влияние размера древесных частиц, образующих древесно-стружечную плиту, на прочность при растяжении перпендикулярно пласти.

4. Экспериментально доказано влияние размерного состава древесных частиц, из которых изготовлена плита, на ее физико-механические свойства.

5. Экспериментально получены зависимости предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти, предела прочности при изгибе плиты, водопоглощения по массе и разбухания по толщине плиты, содержания свободного формальдегида в ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, от концентрации наноструктурированного порошка шунгита.

На защиту выносятся:

- Математическая модель, описывающая влияние размера древесных частиц, образующих древесно-стружечную плиту, на прочность при растяжении перпендикулярно пласти.

- Зависимости влияния добавки наноструктрированного порошка шунгита на время желатинизации и вязкость клеевых растворов на базе карбамидоформальдегидных смол, используемых для производства ДСтП.

- Зависимости влияния величины добавки наноструктрированного порошка шунгита на прочность при растяжении перпендикулярно пласти, на прочность при изгибе плиты, на водопоглощение по массе и разбухание по толщине плиты, на токсичные свойства однослойных ДСтП.

- Зависимости влияния добавки наноструктрированного порошка шунгита на прочность при растяжении перпендикулярно пласти, на прочность при изгибе плиты, на водопоглощение по массе и разбухание по толщине плит, трехслойных ДСтП.

- Результаты экспериментального исследования влияния марки смолы, модифицированной наноструктрированным порошком шунгита, на физико-механических свойства трехслойных ДСтП.

Достоверность. Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается результатами экспериментальных исследований по определению предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти однослойных и трехслойных ДСтП.

Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается актами выполненных работ, использованием современных методов проведения и планирования экспериментальных исследований и методов статистической обработки.

Значимость для теории и практики.

Для теории имеет значение:

- установлено теоретически и доказано экспериментально влияние макроструктуры плиты на предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти древесно-стружечной плиты;

- экспериментальное обоснование способности наноструктурированного порошка шунгита влиять на физико-механические свойства клеевого раствора ДСтП;

- результаты экспериментальных исследований, показывающие значение добавки НПШ в клеевой раствор, обеспечивающее наилучшие физикомеханические показатели однослойных и трехслойных ДСтП.

Для практики имеет значение:

- экспериментальное подтверждение отсутствия отрицательного влияния НПШ в объеме до 10% от массы сухой смолы на технологические свойства клеевого раствора;

- зависимости показателей физико-механических и токсичных свойств одно- и трехслойных ДСтП от величины добавки наноструктурированного порошка шунгита в клеевой раствор для изготовления плит.

Личный вклад автора.

Вклад автора заключается в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. Автором разработана теоретическая модель, описывающая качественное влияние структуры плиты на предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти. Автором изготовлены экспериментальные образцы клеевого раствора и ДСтП, проведены испытания последних на время желатинизации, вязкость, прочность при растяжении перпендикулярно пласти, на прочность при изгибе плиты, на водопоглощение по массе и разбухание по толщине плит, на токсичные свойства.





Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации научных работ.

Апробация paботы.

Результаты проведенных исследований докладывались на международных конференциях: «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» (Петрозаводск, 2011), «Нанотехнологии и наноматериалы в лесном комплексе» (Москва, 2011), региональных научно-технических конференциях : 61 научная студенческая конференция (Петрозаводск, 2009), 64 конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Науки о земле: задачи молодых" (Петрозаводск, 2012), "Третья республиканская научнопрактическая конференция молодых ученых. аспирантов, докторантов" (Петрозаводск 2012). Победитель всероссийского конкурса докладов совместной программы Министерства образования и науки Российской Федерации и Государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «СТУДЕНТЫ, АСПИРАНТЫ И МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ – МАЛОМУ НАУКОЕМКОМУ БИЗНЕСУ - «ПОЛЗУНОВСКИЕ ГРАНТЫ» Публикации.

Основные результаты диссертационной работы изложены в научных печатных работах, в т.ч. в 3-х рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка литературы из 136 наименований, 5 приложений, 1страниц текста, содержит 39 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, отмечена научная новизна, сформулированы выносимые на защиту основные научные положения, цель и задачи исследования. Содержатся сведения о месте проведения и апробации работы, рекомендации о внедрении результатов в производство, структуре и объеме диссертации.

В первой главе проведен анализ состояния исследуемого вопроса, намечены основные перспективы производства древесно-стружечных плит в России и за рубежом.

На основании аналитического обзора выявлены основные проблемы развития производства древесно-стружечных плит и факторы, сдерживающие их дальнейшее эффективное развитие, выявлены возможные пути снижения материалоемкости, себестоимости изготовления плит с одновременным улучшением экологической и пожароопасной обстановки территорий нашей страны. Установлено, что одним из основных сдерживающих факторов развития производства древесно-стружечных плит является все обостряющийся дефицит сырьевой базы, требующий вовлечения в технологию не используемых ранее сырьевых материалов, а также высокая стоимость ДСтП, обуславливающая неконкурентоспособность отечественных плит на мировом рынке. Поэтому вовлечение неиспользуемых отходов производств и их модифицирование в технологию плит на сегодняшний день - одна из важных задач.

Работы по исследованию характеристик древесно-стружечных плит, их соответствие приемочным требованиям для различных производств, проводились в МГУЛ, СПбГЛТУ, научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ, институте проблем химической физики РАН, ФГУП "ВИАМ", МГСУ, и других научно-исследовательских организациях в России и за рубежом. Были подробно изучены добавки, улучшающие экологичность, огнестойкость и другие свойства плит.

Однако опыт использования различных добавок для улучшения физикомеханических показателей в производстве древесно-стружечных плит в России недостаточен. Практически нет работ по применению наноструктурированных добавок. Республика Карелия обладает весьма большими запасами шунгита, в состав которого входят фуллерены.

Работы по изучению и получению наноструктурированного порошка шунгита ведутся в КарНЦ РАН и некоторых других организациях.

Добавка в клеевой раствор наноструктурированного порошка шунгита может существенно повысить свойства ДСтП.

Таким образом, можно сделать заключение о целесообразности проведения исследований, направленных на разработку технологии ДСтП с использованием для ее производства модифицированной сырьевой базы.

В второй главе изложено теоретическое исследование процесса разрушения ДСтП. Конкретной задачей представленного в данной работе исследования является разработка и обоснование методики сравнительной оценки прочности ДСтП при растяжении перпендикулярно пласти в зависимости от фракционного состава измельченной древесины.

Два фрагмента разрушенной плиты в экспериментах при растяжении перпендикулярно пласти, проведенных по стандартной методике, представлены на рис. 1.

Рис. 1 Плита после разрушения Рассмотрим модель контактного взаимодействия двух условных слоев древесных частиц, которые разделены предполагаемой поверхностью разрушения плиты. Эти два слоя в поперечном сечении плиты схематично показаны на рис. 2.

В сечении плиты на рис. 2 каждая частица одного слоя имеет в предполагаемой поверхности разрушения две точки контакта с частицами другого слоя. Это двухмерный случай.

Рис. 2 Геометрическая модель поверхности разрушения (слева) и проекция частицы на горизонтальную плоскость (справа на рисунке) Пусть n – количество частиц одного слоя, контактирующих в точках предполагаемой поверхности разрушения с частицами другого слоя.

Тогда в трехмерном случае минимальное количество контактов в указанной поверхности равно Nk 3n.

Рассмотрим некоторый фрагмент плиты площадью A, в котором количество частиц одного слоя по рис. 2 равно n.

Пусть A1 – площадь проекции одной частицы на срединную плоскость плиты, причем A1 A. Тогда в трехмерном случае площадь проекции всех частиц одного слоя по рис. 2 равна nA1.

Примем во внимание пустоты между частицами и по этой причине введем в рассмотрение безразмерный коэффициент заполнения p, который по своему геометрическому смыслу принимает значения.

0 p Приближенно коэффициент заполнения p можно определить следующим образом. Пусть проекции всех частиц имеют форму эллипса с полуосями a и b. Тогда площадь проекции одной частицы равна A1 ab. Предположим далее, что проекция каждой частицы вписана в прямоугольник со сторонами 2a и 2b. Тогда ab p 0,785. (1) 4ab Будем приближенно считать, что значения коэффициента заполнения p одинаковы как для указанного прямоугольника, так и для всей площади A.

По геометрическому смыслу задачи можем записать:

pA nA1. (2) Отсюда количество частиц в одном из слоев по рис. 2 будет равно pA n , (3) Aа минимальное количество контактов тех же частиц pA Nk 3n 3. (4) AС учетом равенства (1) перепишем формулу (4), учитывая, что A1 ab :

0,785AA Nk 3 0,75. (5) ab ab Очевидно, чем больше количество контактов частиц одного слоя, соприкасающихся в точках предполагаемой поверхности разрушения с частицами другого слоя (рис. 2), тем больше прочность плиты. Эта закономерность следует из формулы (5).

Формула (5) получена в предположении, что объем исследуемой плиты существенно превышает объем наиболее крупной древесной частицы. Это означает, что величина A в формуле (5) должна быть больше, например, одного квадратного сантиметра. Однако для упрощения практических расчетов целесообразно использовать величину A =1 см2.

Формула (5) получена в предположении, что все частицы одинаковы.

Однако используемые для изготовления плит древесные частицы неоднородны по своим размерам. При этом для крупных частиц количество контактов меньше, чем для мелких частиц. На этом основании правомерно констатировать, что влияние числа контактов, а значит и вклада частиц определенной крупности в показатели прочности плиты пропорционально массовой доле этих частиц.

Тогда суммарное количество контактов плоскости разрушения можно рассматривать как критерий прочности плиты при растяжении перпендикулярно пласти плиты.

Кроме того, с учетом сделанного предположения можно прогнозировать, что поверхность разрушения пройдет через окрестности тех областей в объеме плиты, в которых число контактов минимально.

Такой прогноз будет приближенным, поскольку предполагает, что прочность всех контактов одинакова.

Рассмотрим реализацию сформулированного выше предположения о влиянии количества контактов на прочность плиты. Предлагаемый критерий прочности плиты обозначим как R. Пусть Ci – массовая ( доля (концентрация) частиц фракции номер i, Nki) – количество контактов для частиц данной фракции по формуле (5), m – количество фракций. Тогда для вычисления критерия прочности R может быть предложена формула:

m ( R CiNki). (6) iОценка прочности в виде критерия (6) является приближенной и не позволяет составить представление о прочности отдельно взятой плиты.

Однако для сравнительной оценки прочности двух и более плит критерий (6) может быть рекомендован.

Формула (6) получена для дискретного случая, когда количество фракций равно m. Размеры же стружки являются непрерывными величинами. Введем коэффициент , определяющий соотношение осей эллипсоида. b / a, тогда число контактов с учетом (5) может быть выражено в виде функции 0,75 A Nk a2.

(7) Пусть f (a) плотность распределения длины стружки a. Тогда ai amax amin Ci f ( a )da f ( ai )a, где a ai ai1 , amin и m aiamax - наименьший и наибольший размеры стружки соответственно.

Осуществив в формуле (6) предельный переход при a 0(m ), получим amax (8) R Nk (a,) f (a)da.

amin С учетом (7) при = const получим:

amax A f (a) R 0,75 da. (9) aamin Выражения (7) и (9) демонстрируют, что с уменьшением размеров частиц количество контактов между ними в единице объема увеличивается. Это приводит к повышению прочности при растяжении плит перпендикулярно пласти.

В третьей главе изложены методики проведения экспериментальных исследований, представлены характеристики применяемой стружки, ее фракционного состава. Представлена характеристика наноструктурированного порошка шунгита с размером частиц 50-100 нм, влажностью 0,7% и удельной поверхностью 120 м/г, материалов, методов и средств измерения, применяемого оборудования и приборов, расчетные формулы и уравнения. Наноструктурированный шунгит предоставлен Рожковой Н.Н, заведующей лабораторией шунгитов КарНЦ РАН. Физико-химические свойства карбамидоформальдегидных смол и клеев на их основе такие как: время желатинизации при 100°С, условная вязкость определялись по методикам, приведенным в ТУ 13-5747575-14-14-89 «Смола карбамидоформальдегидные КФ-НФП. Технические условия», ТУ6-061288 "Смола КФС-МТ-15", испытания древесно-стружечных плит с целью определения их физико-механических показателей осуществлялись в соответствии с действующим ГОСТ 10632-20«Плиты древесностружечные. Технические условия».

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по определению возможности использования некондиционного сырья в производстве древесно-стружечных плит.

На лабораторном прессе изготавливались плиты с размерами 400x400x16 мм, для испытаний использовалась только средняя часть образца. Плиты изготавливались при расходе клеевого раствора 13% к массе стружки по сухому веществу для различных слоев. Порода древесины: 40% хвойных 60% осины, содержащей до 30% гнили.

Продолжительность прессования составляла 0,35 мин/мм. Температура плит пресса составляла: 1900С.

На рис. 3 представлены зависимости физико-механических характеристик однослойных древесно-стружечных плит, изготовленных на модифицированном связующем от концентрации (Ф) наструктурированного порошка шунгита при температуре прессования 1900С 1,0,y = -0,084x2 + 2,048x + 23,0,R2 = 0,9665 y = -0,0039x2 + 0,0877x + 0,480,R2 = 0,990,0 0 5 10 15 20 0 5 10 15 Ф, мас.% Ф, мас.% а) б) Рисунок 3 – а) - Зависимости прочности на статический изгиб (изг) б) - и на растяжение перпендикулярно пласти плиты () от концентрации НПШ Из зависимостей, представленных на рисунке, видно, что при введении НПШ в ДСтП наблюдается значительный рост показателей прочности. По сравнению с контролем, прочность при статическом изгибе увеличилась на 41%, а прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты выросла на 104%. Такие высокие показатели физико-механических свойств можно объяснить установленной ранее способностью НПШ образовывать трехмерную наноуглеродную сетку в структуре ДСтП, распространяющуюся по всему объему материала, приводящую к формированию более прочной структуры. Обе зависимости (Рис.3) имеют максимум при одинаковой концентрации НПШ 10 масс.%, что соответствует максимальной прочности образующейся наноразмерной сетки.

На рисунках 4 и 5 соответственно представлены зависимости показателей разбухания и водопоглощения однослойных плит от концентрации НПШ.

y = -0,0073x3 + 0,36x2 - 5,3167x + 42,R2 = 0,980 5 10 15 Ф, мас.% Рисунок 4 – Зависимость показателя разбухания по толщине (Ѕ) от концентрации НПШ.

y = 0,0269x2 - 0,4971x + 8,46R2 = 0,940 5 10 15 Ф, мас.% Рисунок 5 – Зависимость показателя водопоглощения по массе (M) от концентрации НПШ.

Из графиков видно, что при введении НПШ в связующее ДСтП происходит значительное уменьшение показателей разбухания и водопоглощения плит, что говорит о повышении водостойкости данного продукта. Такие показатели можно объяснить высокой прочностью и низкой проницаемостью по воде пленки смола-наноуглерод, концентрация которой увеличивается на поверхности плиты по сравнению с объемом при прессовании.

Так же из графика видно, что максимальным показателям водостойкости соответствуют составы с концентрацией НПШ масс.%.

На рисунке 6 показана зависимость содержания свободного формальдегида в ДСтП от концентрации НПШ.

Ѕ, % M, % y = -0,236x + 15,R2 = 0,950 5 10 15 Ф, мас.% Рисунок 6 – Зависимость содержания свободного формальдегида в ДСтП от концентрации НПШ.

Видно, что при введении НПШ в карбамидоформальдегидную смолу наблюдается существенное снижение содержания свободного формальдегида Данный эффект растет с увеличением концентрации наночастиц и связан с химическим взаимодействием наноуглерода с формальдегидом.

Кроме того, по данным рисунка 6 можно сделать вывод о том, что при концентрации НПШ 10 масс.% наблюдается значительное снижение содержания свободного формальдегида.

По результатам данных исследований было принято решение изготовить и испытать на физико-механические свойства трехслойные ДСтП с концентрацией НПШ 10 масс.% от массы абсолютно сухой смолы. Также провести исследования времени желатинизации и вязкости связующих типа связующее1 (КФ-НФП) и связующее2 (КФМТ-15).

° Исследовали время желатинизации связующего1 при 100 С.

Испытания проводили по ГОСТ 14231. Содержание абсолютно сухого отвердителя хлорида аммония от массы абсолютно сухой КФ-НФП – 1%. Содержание НПШ в связующем изменяли от 0 до 20%. Результаты анализа представлены на рис 7.

73,72,y = 0,0143x2 - 0,4857x + 73,171,R2 = 0,970,69,68,0 5 10 15 Ф, мас.% Рисунок 7 – Зависимость времени желатинизации карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-НФП от концентрации НПШ.

Также исследовали время желатинизации связующего2 (Рис 8.) при 100 С на основе КФС-МТ-15. Содержание абсолютно сухого отвердителя хлорида аммония от массы абсолютно сухой КФ-МТ-15– 1%. Содержание НПШ в связующем изменяли от 0 до 20%.

Анализ графика, представленного на рисунке 7, показывает, что заметное снижение времени желатинизации происходит при увеличении НПШ от 0 до 10 масс.%.

44,y = -0,0009x3 + 0,0411x2 - 0,5595x 43,+ 44,3R2 = 0,8042,41,0 5 10 15 Ф, мас.% Рисунок 8 – Зависимость времени желатинизации карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-МТ-15 от концентрации НПШ.

Определили условную вязкость приготовленных связующего1 по вискозиметру ВЗ-246 с соплом диаметром 4 мм и связующего2.

Испытания проводили по ГОСТ 14231.

Содержание НПШ в связующем изменяли от 0 до 20%. Результаты анализа связующего1 представлены на рисунке 9.

y = 0,0357x2 - 0,7043x + 43,5R2 = 0,730 5 10 15 Ф, мас.% Рисунок 9 – Зависимость вязкости карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-НФП от концентрации НПШ.

Результаты анализа связующего2 представлены на рисунке y = 0,488x + 44,R2 = 0,840 5 10 15 Ф, мас.% Рисунок 10 – Зависимость вязкости карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-МТ-15 от концентрации НПШ.

Анализ графика, представленного на рисунке 10, показывает, что вязкость растет при увеличении НПШ от 0 до 20 масс.%.

Из анализа графиков 9 и 10 можно сделать вывод, что НШП влияет на вязкость КФС в зависимости от их марки.

В связи с гетерогенной структурой и неоднородностью плотности трехслойных ДСтП, полученные результаты сравнительных показателей водостойкости и прочности плит были пересчитаны к одной плотности 680 кг/м3 по известным методикам.

Приведенные оценки средних значений показателей опытных ДСтП, полученных на основе связующего1 представлены в таблице 1.

Таблица Физико-механические показатели и водостойкость опытных ДСтП на связующем1, приведенные к плотности образцов 680 кг/мСодержание изг, , tw, w, НШН, мас. %. МПа МПа % % 0 18,6 0,17 52,7 110 22,0 0,19 51,6 1где tw - разбухание по толщине w - водопоглощение по массе Из результатов таблицы видно, что при введении НПШ в карбамидоформальдегидную смолу на базе связующего1, наблюдается снижение водопоглащения ДСтП на 20%. Это связано с конденсированием водной дисперсии шунгитового наноуглерода, сопровождающейся агрегацией наночастиц и образованием в процессе полимеризации наноуглеродной сетки в связующем ДСтП на поверхности плиты. Углеродные фрагменты высвобождаются в водной дисперсии, формируя углеродный НПШ, и определяют устойчивость наночастиц в воде и их взаимодействие с водой. Также из результатов таблицы видно, что образованная пленка НПШ улучшает физикомеханические свойства ДСтП. По сравнению с контролем, прочность при статическом изгибе увеличилась на 18%, а прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты была увеличена на 12%. Это увеличение связано с упрочнением химических связей КФ-НФП с пленкой НПШ, благодаря чему поверхность становится более прочной.

Для древесно-стружечных плит, изготовленных на основе связующего2, были получены следующие результаты, представленные в таблице 2.

Таблица Физико-механические показатели и водостойкость опытных ДСтП на связующем2, приведенные к плотности образцов 680 кг/мСодержание изг, , tw, w, НШН, масс. %. МПа МПа % % 0 14,4 0,21 27,5 43,10 18,1 0,29 23,6 38,Из таблицы видно, что при введении НПШ в карбамидоформальдегидную смолу на базе связующего2, наблюдается снижение водопоглощения ДСтП на 10%, а разбухание в воде по толщине снижается на 14%. Также из результатов таблицы видно, что образованная пленка НПШ улучшает физико-механические свойства ДСтП. По сравнению с контролем, прочность при статическом изгибе увеличилась на 20%, а прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты была увеличена на 22%. Проверка значимости различия свойств проводилась с использованием T критерия Стьюдента.

В пятой главе Даются рекомендации по практическому применению результатов диссертационного исследования. Рассматривается рецептура клеевого раствора, позволяющая получать древесно-стружечные плиты общего назначения с использованием более 60% низкосортной древесины, в том числе осины с содержанием гнили до 30%. Указанный эффект предлагается достигать за счет использования НПШ в композиции ДСтП до 10% включительно.

Предлагаемая клеевая композиция отличается от существующих тем, что в качестве наномодификатора используется нанодисперсный шунгит в количестве от 1% до 20% от массы связующего, причем частицы шунгита имеют размеры, не превышающие 100 нм, и распределены частицы в связующем на основе термореактивной смолы, выбранной из группы, состоящей из карбамидоформальдегидной, фенолоформальдегидной, меламиноформальдегидной смол или их аналогов.

Заключение В заключительной части диссертации сформулированы итоги выполненного исследования, рекомендации по использованию полученных результатов и перспективы дальнейшей разработки темы.

Итоги:

1. В результате экспериментального исследования установлено, что время желатинизации клеевых растворов на базе смолы КФ-НФП и КФ-МТ-15 зависит от величины добавки НПШ. Указанные зависимости могут быть описаны соответственно уравнениями y = 0,0143x2 - 0,4857x + 73,114 и y = -0,0009x3 + 0,0411x2 - 0,5595x + 44,317.

2. В результате экспериментального исследования установлено, что вязкость клеевых растворов на базе смолы КФ-НФП и КФ-МТ-зависит от величины добавки НПШ. Указанные зависимости могут быть описаны соответственно уравнениями y = 0,0357x2 - 0,7043x + 43,586 и y = 0,488x + 44,42.

3. В результате экспериментального исследования установлено, что зависимость предела прочности на разрыв однослойных плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, на базе смолы КФ-НФП, от величины добавки НПШ может быть описана с помощью уравнения y = -0,0039x2 + 0,0877x + 0,4843.

4. В результате экспериментального исследования установлено, что зависимость предела прочности на изгиб однослойных плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, на базе смолы КФ-НФП, от величины добавки НПШ может быть описана с помощью уравнения y = -0,084x2 + 2,048x + 23,6.

5. В результате экспериментального исследования установлено, что зависимость разбухания по толщине однослойных плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, на базе смолы КФ-НФП, от величины добавки НПШ может быть описана с помощью уравнения y = -0,0073x3 + 0,36x2 - 5,3167x + 42,6. В результате экспериментального исследования установлено, что зависимость водопоглощения по массе однослойных плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, на базе смолы КФ-НФП, от величины добавки НПШ может быть описана с помощью уравнения y = 0,0269x2 - 0,4971x + 8,467. В результате экспериментального исследования установлено, что зависимость эмиссии свободного формальдегида однослойных плит, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, на базе смолы КФ-НФП, от величины добавки НПШ может быть описана с помощью уравнения y = -0,236x + 15,8. Установлено, что добавка 10% НПШ позволяет повысить предел прочности на изгиб трехслойных ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, для смолы КФНФП на 15,5%, для смолы КФС-МТ-15 на 20,4%.

9. Установлено, что добавка 10% НПШ позволяет повысить предел прочности перпендикулярно пласти трехслойных ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, для смолы КФ-НФП на 10,5%, для смолы КФС-МТ-15 на 27,6%.

10. Установлено, что добавка 10% НПШ позволяет уменьшить разбухание по толщине трехслойных ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, для смолы КФНФП на 2%, для смолы КФС-МТ-15 на 16,5%.

11. Установлено, что добавка 10% НПШ позволяет уменьшить водопоглощение по массе трехслойных ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной древесины осины, для смолы КФНФП на 25,2%, для смолы КФС-МТ-15 на 12%.

Рекомендации 1. Анализ зависимостей влияния добавки НПШ на время желатинизации и вязкость смолы позволяет сделать вывод о том, что при добавке НПШ менее 10 масс.% технологические свойства клеевого раствора такие как время желатинизации и вязкость меняются не значительно, следовательно не требуется менять время, скорость и давление прессования при производстве ДСтП.

2. Добавка 10 масс.% НПШ позволяет получать одно- и трехслойные древесно-стружечные плиты общего назначения из частиц, состоящих из 60 % низкосортной древесины осины, содержащей до 30% гнили, и 40% смеси хвойных пород.

Перспективы дальнейшей разработки темы.

Для определения оптимальной величины добавки НПШ необходимо провести дополнительные исследования ее влияния на физикомеханические свойства одно- и трехслойных древесно-стружечных плит в диапазоне значений от 5 до 15 масс.%. Необходимо провести дополнительные исследования по влиянию размеров частиц. из которых изготовлена ДСтП на ее прочностные показатели.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендованных ВАК 1 Панов Н.Г., Рожков С.С., Питухин А.В. Повышение водостойкости трехслойных древесно-стружечных плит на основе карбамидоформальдегидной смолы при введении наноразмерного шунгитового наполнителя в связующее // Ученые записки ПетрГУ. - 2011. - № 8 (121) – С. 85-88.

2 Панов Н.Г., Питухин А.В., Рожков С.С., Цветков В.Е., Санаев В.Г., Фирюлина О.В. Древесно-стружечные плиты на основе карбамидоформальдегидной смолы, модифицированной наноразмерным шунгитом // Лесной вестник МГУЛ. - 2012. - № 2(85) – С. 135-139.

3. Питухин А.В., Панов Н.Г., Колесников Г.Н., Васильев С.Б. Влияние добавки нанопорошка шунгита в клеевой раствор для изготовления трехслойных древесно-стружечных плит на их физико-механические свойства [Электронный ресурс] / А.В. Питухин, Н.Г. Панов, Г.Н.

Колесников, С.Б. Васильев / Современные проблемы науки и образования. – 2012. – №4. – Режим доступа: http://www.scienceeducation.ru/104-6886.

Прочие издания:

4. Панов Н.Г. Нанотехнологии и их перспективы в машиностроении: тез.

докл. 61 научная студенческая конференция - Петрозаводск.: ПетрГУ, 2009. – С. 82-83.

5. Панов Н.Г. Повышение прочностных свойств древесных материалов на основе применения нанотехнологии // Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева. Химия древесины. СПб:

СПбГЛА. - 2010. - С. 173-176.

6. Панов Н.Г. Рожков С.С. Повышение водостойкости и физикомеханических свойств древесно-стружечных плит из низких сортов древесины на основе карбамидоформальдегидной смолы при введении наноразмерного наполнителя в связующее.: тез. докл. 64 конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Науки о земле: задачи молодых" - Петрозаводск.: КарНЦ РАН, 2012. – С. 47-48.

7. Панов Н.Г. Повышение водостойкости и физико-механических свойств древесно-стружечных плит из низких сортов древесины на основе карбамидоформальдегидной смолы при введении наноразмерного шунгитового наполнителя в связующее: тез. докл.

Материалы третьей республиканской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, докторантов - Петрозаводск.: ПетрГУ, 2012. – С. 29-30.






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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.