авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Совершенствование технологии производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна

-- [ Страница 2 ] --

В России производством и переработкой льна занимается около 2000 сельскохозяйственных предприятий, 67 льносеменоводческих станций, 255 льнозаводов, более 50 текстильных предприятий, расположенных в 36 регионах страны. В настоящее время проблемы углубленной переработки льна и эффективной утилизации образующихся отходов льнопроизводства особо актуальны, поскольку на региональных и государственном уровнях намечены существенные инвестиционные вложения в льноперерабатывающую отрасль. Современная переработка льна является областью «критических технологий» прежде всего по причине широкой сферы применения продуктов переработки льна и высокой ценности этих продуктов. На государственном уровне запланирован существенный рост производства льноволокна в России. Так, по данным департамента агропромышленного комплекса Костромской области, намечено увеличение посевных площадей, занятых льном, с 2 тыс. га в 2006 г. до 5 тыс. га в 2008 г. и до 15 тыс. га на период до 2010 г. Основная проблемная задача состоит не просто в наращивании объемов переработки льна, а в создании новых технологий, позволяющих использовать большое количество его ценных компонентов, входящих и в состав отходов производства.

Организация промышленного производства принципиально новой продукции из ранее не используемых отходов льнопроизводства – грубого волокна, очеса и костры – позволит значительно сократить экологический вред от вырубки лесов, расширить ассортимент выпускаемой продукции, снизить или устранить зависимость от импорта при производстве стратегически важной продукции.

Костра льна пригодна для переработки в материалы различного назначения, что обусловлено особенностями ее физико-химического строения и дешевизной. При этом наибольший эффект от переработки костры достигается при производстве на ее основе композиционных материалов, которые могут использоваться в строительстве и мебельной промышленности для создания конструкционных элементов. Эффективность применения костры льна в качестве наполнителя композиционных материалов обусловлена рядом ее положительных анатомических, химических и размерно-качественных свойств, а именно:

- льняная костра содержит много стойких химических соединений – лигнин, целлюлоза, высокополимерные пентозаны. Во льне содержится до 65 % целлюлозы, при этом в древесной части стебля льна, то есть в костре содержится примерно 45% целлюлозы;

- частицы костры образуют фракцию, пригодную для использования в плитном производстве без дополнительной механической обработки;

- частицы костры способны склеиваться, поскольку в состав костры входит как основной компонент, целлюлоза. В костре древесные волокна расположены параллельно длине частиц, чего не наблюдается у других видов сырья. Костра имеет гладкую малопористую поверхность, изолированную водонепроницаемой кутикулой, поэтому при склеивании ее частиц требуется немного смоляного клея. Толщина отдельных костринок незначительна, что позволяет получать плиты с гладкой поверхностью без дополнительной обработки (шлифования) или с незначительной обработкой. Малая толщина частиц костры способствует более плотной их упаковке с минимальным содержанием воздушных пустот, образованию большого количества клеевых мостов, что положительно сказывается на прочностных показателях композиционного материала;

- стоимость костры как сырья гораздо ниже стоимости древесины, поэтому с экономической точки зрения использование костры будет способствовать снижению цены на готовые плиты;

- с технологической точки зрения использование костры позволит уменьшить затраты на производство плит за счет изменений в технологическом процессе. На стадии подготовки сырья костра не требует дополнительного измельчения, поскольку размеры частиц соответствуют требованиям для производства плит. Костра реализуется льноперерабатывающими предприятиями с начальной влажностью 12–30%, что позволяет снизить затраты на сушку по сравнению с затратами на сушку древесных частиц;

- костра образуется на льноперерабатывающих предприятиях ежегодно, в отличие от деловой древесины, для созревания которой требуются десятки лет. Сбор урожая льна и его переработка происходит осенью, то есть в тот годовой период, когда сокращаются объемы заготовки древесины в связи с трудностями ее транспортировки. Поэтому осенняя переработка образующейся костры в производстве клееных композиционных материалов позволяет компенсировать дефицит древесного сырья.

Актуальность использования костры в производстве плитных материалов обусловлена кроме того тем, что в настоящее время наблюдается значительный рост производства и переработки льна в связи с повышенным интересом к производству льняных тканей и одежды, обладающих высокими экологическими и гигиеническими свойствами.

Практика применения отходов льнопроизводства показывает, что эксплуатационные характеристики плитных композиционных материалов на основе костры, изготавливаемых по традиционным технологиям, уступают соответствующим характеристикам древесных плит. Поэтому необходимо определить технологические и организационные направления, позволяющие улучшить качество готовых материалов, тем самым расширить область их использования и конкурентоспособность.

Во второй главе «Системный анализ производства композиционных материалов» рассмотрена общая концепция повышения эффективности производства древесных композиционных материалов на основе системного подхода и определены организационно-технические мероприятия, направленные на улучшение качества и конкурентоспособности композиционных материалов на основе костры льна и синтетических олигомеров.

Производство композиционных материалов отличается сложностью и многообразием технологических систем, сырья и материалов. Проблема повышения эффективности данного производства состоит в том, что оно должно рассматриваться как система со своей структурой, с учетом различных аспектов – технологических, экономических, экологических, социальных и др. Стратегическая задача повышения эффективности работы отечественного производства композиционных древесных материалов может быть решена путем разработки научных и методологических принципов повышения эффективности использования древесного сырья на основе организации ресурсосбережения, поиска новых конструкций материалов, совершенствования контроля качества продукции, а также развития организационно-экономической базы освоения новой, конкурентоспособной продукции и технологий. В настоящее время перед предприятиями по производству композиционных материалов стоит задача технического и технологического развития, вытекающая из перспектив роста потребления продукции как на внутреннем, так и внешнем рынках, наличия огромного ресурсного потенциала, планируемого вступления России в ВТО, программных мероприятий, намеченных Правительством к реализации в лесопромышленном комплексе. Проблема заключается в несоответствии между сложившейся системой организации использования древесных ресурсов и необходимостью повышения эффективности работы деревообрабатывающих производств в соответствии с экономическими интересами государства. Для решения данной проблемы в области производства древесных композиционных материалов предлагается общая концепция, в основу которой положен системный подход к организации ресурсосбережения (рис. 1).

Реализация общей концепции повышения эффективности производства древесных композиционных материалов предусматривает решение следующих задач:

  • обоснование потенциала ресурсосбережения и разработка организационно-технического механизма его реализации на предприятиях;
  • системный анализ проблемы эффективности использования древесных ресурсов с точки зрения стратегических задач развития экономики России;
  • создание основ рационального лесопользования путем разработки направления использования значительного потенциала отходов льнопроизводства при выпуске композиционных материалов;
  • теоретическое и экспериментальное обоснование использования отходов переработки льна в структуре композиционных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками;
  • разработку новых видов и конструкций композиционных материалов на основе недревесного сырья;
  • научное обоснование и разработка связующих составов для производства композиционных материалов на основе новых видов наполнителей;

 Общая концепция повышения-0

Рис. 1. Общая концепция повышения эффективности производства

композиционных материалов

  • организационно-техническое обеспечение производства новых видов продукции;
  • повышение степени безотходности производства на основе использования технического, технологического и энергетического потенциала древесных ресурсов и отходов льнопроизводства.

Решение намеченных задач будет способствовать повышению эффективности отечественных деревообрабатывающей и льноперерабатывающей отраслей промышленности, что позволит России укрепить свои позиции на мировом рынке.

В третьей главе «Методическая часть» приведены характеристики применяемых материалов, оборудование и приборы, используемые в работе, расчетные уравнения и формулы, изложены методики подготовки экспериментальных образцов, определения термодинамических и реологических характеристик, поверхностного натяжения, краевых углов смачивания исследуемых материалов, изготовления экспериментальных образцов композиционных материалов, оценки их физико-механических и экологических свойств. Оценка влияния технологических факторов на свойства композиционных материалов и выбор рациональных режимов их производства осуществлялись путем математической обработки результатов регрессионных планов второго порядка.

В четвертой главе «Разработка рекомендаций по повышению смачивания и адгезии при производстве композиционных материалов» рассмотрены теоретические положения процесса склеивания целлюлозосодержащих наполнителей клеевыми составами на основе синтетических олигомеров и выявлены пути увеличения адгезионного контакта. Основные положения теории адгезии, смачивания и поверхностных явлений применены для выработки мероприятий по улучшению качественных показателей композиционных материалов на основе костры льна и синтетических олигомеров.

Полимерные составы, применяемые при осмолении наполнителей, должны обеспечивать полное смачивание поверхности субстрата, а также межфазный контакт между адгезивом и субстратом и межфазное или адсорбционное взаимодействие на границе двух фаз, то есть на границе полимер – наполнитель. Адгезия определяется взаимодействием на границе раздела фаз. Это взаимодействие зависит от величин, которые обусловливают свойства контактирующих поверхностей, прежде всего – поверхностного натяжения и поверхностной энергии.

Если при нанесении жидкости на твердую поверхность происходит процесс самопроизвольного увеличения площади контакта, имеет место смачивание. Рассмотрим условия смачивания жидкостью твердой поверхности. Если до соприкосновения с подложкой капля жидкости имела поверхность Sк, а поверхность твердой подложки была Sт, то в состоянии равновесия, когда жидкость образует на поверхности тела каплю определенной формы, площадь поверхности соприкосновения капли с подложкой составит Sтж, а площадь поверхности капли Sж. Общая свободная поверхностная энергия в начальный момент составляет

F1 = Sк ж + Sт т, (1)

где ж, ж – поверхностная энергия соответственно жидкости и твердого тела.

В конечный момент, после достижения равновесия, общая свободная поверхностная энергия составит

F2 = Sж ж + Sтж тж. (2)

Необходимое условие самопроизвольного протекания процесса смачивания заключается в том, чтобы происходила убыль свободной поверхностной энергии

F = (F1 – F2) < 0. (3)

Для данного условия смачивания справедливо неравенство

> . (4)

Отсюда следует, что при т > тж происходит увеличение поверхностного соприкосновения жидкости со средой (Sж > Sк). Таким образом, смачивание термодинамически возможно при условии

т > тж. (5)

Равновесие капли жидкости на поверхности твердого тела (без учета шероховатости поверхности и действия силы тяжести) подчиняется уравнению Юнга

т = тж + ж cos , (6)

из которого следует

cos = , (7)

где – краевой угол, или угол смачивания.

Очевидно, при т < тж и cos < 0, то есть когда жидкость не смачивает поверхность, краевой угол должен быть больше 90°. Если угол смачивания меньше 90°, происходит частичное смачивание. При = 0, когда краевой угол не образуется, имеет место полное смачивание, или растекание. Условие растекания жидкости по поверхности твердого тела выражается неравенством

т > ж + тж. (8)

Для оценки адгезионного взаимодействия необходимо применять основные показатели, поддающиеся экспериментальному определению – краевой угол смачивания и поверхностное натяжение жидкости жг. Произведение поверхностного натяжения жидкости и косинуса краевого угла смачивания есть энергия смачивания, или адгезионное напряжение

Wэ = жг · соs . (9)

Чаще взаимодействие жидкости с твердой поверхностью характеризуют работой адгезии, которую необходимо затратить для удаления жидкости от твердого тела. При контакте жидкости с твердой поверхностью свободная поверхностная энергия равна тж, а после разъединения тел она становится равной (жг + тг). Разность между этими величинами есть работа адгезии (уравнение Дпре)

Wа = жг + тг – тж. (10)

Из данного уравнения (10) в сочетании с равенством Юнга (6) получаем

WА = ж (1 + cos ). (11)

Эта зависимость (уравнение Дюпре-Юнга) позволяет оценить величину равновесной работы адгезии жидкости к твердому телу, которую надо затратить для разделения фаз. Данная зависимость носит гипотетический характер, так как в ней присутствует энергетическая составляющая. Учитывая, что теоретически величина поверхностной энергии равна поверхностному натяжению данное уравнение можно привести к удобному для практического использования виду

WА = ж (1 + cos ). (12)

Из уравнений (11,12) следует, что для достижения высокой адгезии необходимо, чтобы поверхностная энергия и поверхностное натяжение жидкости имело большие значения. Также необходимо, чтобы значения поверхностной энергии и поверхностного натяжения субстратов превышали соответствующие характеристики адгезивов, при этом будет обеспечиваться полное и равномерное смачивание

субстрат > адгезив, (13)

субстрат > адгезив. (14)

Высокая прочность сцепления полимерной матрицы с древесиной или с другим целлюлозосодержащим наполнителем является непременным условием создания клееных композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами. Для этого необходима совместная работа древесины и отвержденного клея, то есть прочная связь их поверхностей. Поэтому вопрос о природе взаимодействия по межфазной границе полимер – твердое тело имеет очень важное значение не только с теоретической, но и с практической точек зрения. Для обеспечения необходимой прочности связи на границе раздела фаз необходимо рассмотреть сущность протекающих процессов при склеивании.

С физико-химической точки зрения адгезию определяет действие молекулярных сил на межфазной границе. При производстве композиционных материалов клей, как правило, наносится на поверхность наполнителя в виде раствора, поэтому в процессе формирования он претерпевает фазовые превращения в системе жидкость – твердое тело. При этом изменяются условия смачивания поверхности и условия взаимодействия полимерной цепи с поверхностью наполнителя из-за уменьшения молекулярной подвижности. Жесткая полимерная цепь не может также приспособиться к поверхности как молекулы мономера или олигомера, из которых образуется полимерный адгезив. Таким образом, по мере отверждения (структурирования) система становится все более неравновесной, причем тем больше, чем жестче цепь. При этом в адгезиве возникают внутренние напряжения, обусловленные как условиями отверждения, так и собственно взаимодействием полимера с поверхностью. Если клей обладает эластичностью, то он лучше приспосабливается к поверхности, больше возникает точек контакта, а неравновесность системы уменьшается. Процесс формирования клеевого соединения требует определенного времени, зависящего от свойств клея. Поэтому очевидно, что процесс отверждения клея необходимо вести при оптимальном соотношении между скоростью установления равновесного состояния полимера на поверхности субстрата и скоростью отверждения клея. Возникновение неравновесной структуры создает большие внутренние напряжения, стремящиеся оторвать клей от поверхности, что в итоге ведет к снижению прочности склеивания. Данное обстоятельство можно интерпретировать математической формулой

ск = т – вн, (15)

где ск – прочность склеивания; т – адгезионная (межфазная прочность); вн – внутренние напряжения.

Исходя из данной зависимости, можно сделать вывод, что повышение прочности склеивания возможно за счет:

  • повышения сил межмолекулярного взаимодействия на границе раздела фаз;
  • снижения внутренних напряжений, как по межфазной границе, так и в массе самого клея.

Процесс образования адгезионной связи обычно подразделяется на две стадии. На первой стадии происходит перемещение молекул адгезива к поверхности субстрата и их определенное ориентирование в межфазном слое. Протекание первой стадии процесса адгезии способствует повышению температуры и давления. Однако в этом случае нарушается принцип самопроизвольности, что введет к появлению внутренних напряжений, уменьшающих работу адгезии. На второй стадии происходит межмолекулярное взаимодействие субстрата и адгезива и структурирование последнего. Работу адгезии Wа при этом можно определить по уравнению Дюпре-Юнга (12).

Исходя из вышесказанного следует, что максимальная прочность склеивания древесины достигается при использовании клеевых составов, обеспечивающих минимальный краевой угол смачивания, то есть обладающих малым поверхностным натяжением, по величине меньшим, чем поверхностное натяжение субстрата. Однако практический анализ формирования клеевых соединений показывает, что данный принцип сопоставления поверхностных натяжений адгезива и субстрата не всегда является условием достижения высокой адгезии. Поэтому в дальнейших исследованиях предполагается установить взаимосвязь поверхностного натяжения синтетических олигомеров с краевым углом смачивания и влияние этих величин на прочность композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.