автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение эффективностипроцессов структурообразования формирования строительных плит на основе отходов растительного сырья

РГБ ОЛ

О 5 1С'7

На правах рукописи

КУРДЮМОВА Валентина Мефодьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУР00БРА30ВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛИТ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

АЛМАТЫ 1997

Работа выполнена в Кыргызском архитектурно-строительном институте

Научный консультант

Ведущая организация

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.М. Хрулев.

Научно-исследовательский и проектный институт строительных материалов Республики Казахстан

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники Республики Узбекистан, доктор технических наук, профессор И.К. Касимов

Доктор технических наук, профессор М.Г. Бабаев

Доктор химических наук, профессор 3. Ш. Шаршеналиева

Защита состоится " /3 " ■<£С>г>€/1997 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д. 14.03.01 в Казахской Государственной архитектурно-строительной Академии по адресу: 480123, Алматы, ул. Рыскулбекова, 28, ауд. 240.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " " ^СсОх^Й^.. 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

Абрахманова К.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Новые композиционные плиты из отходов лигноцеллюлозного растительнного сырья (стеблей хлопчатника, табака, соломы и др.) по своим прочностным характеристикам не уступают древесностружечным, а по ряду структурно-механических показателей превосходят их. Объем бросовых отходов растениеводства в Средней Азии составляет около 6 млн. тонн, из которых можно получить до 4 млн. м3 композиционных плит в год. Это полноценные заменители древесины с повышенными конструкционными свойствами, позволяющими применять их в строительстве, в мебельном производстве и как товары народного потребления.

Однако, технология производства, процессы структурообра-зования, структурно-механические и строительные свойства этих композитов мало изучены. К настоящему времени еще не сложилась теория, объясняющая зависимость прочностных свойств этих плит от их структуры. Влияние структурно-механических факторов на свойства новых композитов в целом не исследованы. Специфическая особенность структуры новых заполнителей как, содержание в стеблях до 50% лубяных волокон, наличие упруго-пластических свойств, резко выраженная анизотропия (ортотропность), значительная упругость при уплотнении смеси, полидисперсность системы и др. создают отличительные особенности во всех технологических операциях, и процессах структурообразования плит и нетрадиционного решения к проектированию новых материалов с заданными свойствами. Имеются лишь результаты экспериментов по определению основных физико-механических свойств композитов без теоретического обобщения. Поэтому привлечение результатов фундаментальных наук, в первую очередь физико-химической механики композиционных материалов, теории упругости анизотропного тела, теории пластичности и зернистых сред, позволило выработать новый подход к созданию теоретических основ структурообразования новых материалов из отходов растениеводства. А также получить зависимости, позволяющие описать структурные представления о материале, прочностные характеристики его в зависимости от физико-механических свойств сложной композиции сырья, их объемного соотношения фракций и лубяного волокна, вида армирующих добавок, плотности сырья, количества связующего, при оптимизации построения технологического процесса от заданных технологических факторов производства. В настоящей диссертации этот подход получил теоретическое обобщение, развитие, дальнейшее обоснование и подтверждение, в частности, в практическом приложении технологических разработок на предприятиях.

Перечисленные вопросы отражают практически весь комплекс работ по технологии создания и получению новых композиционных плит из отходов местного растительного сырья с заданными свойствами и закономерностями его поведения для применения их в строительстве и мебельном производстве. Это является современной, актуальной задачей, обеспечивающей практическое решение этой научной ПРОБЛЕМЫ путем расширения сырьевой базы для строительства в Среднеазиатском регионе. Что полностью соответствует выполнению целевой программы ресурсосберегающих технологий. Поэтому решение задач, стоящих перед промышленностью новых композиционных материалов, выполненное в диссертации, соответствует требованиям времени, подчеркивает актуальность проведенных исследований. Таким образом среди направлений научно-технического прогресса, играющих в настоящее время особую роль и определяющих перспективы долгосрочного развития экономики, можно выделить проблему создания новых композиционных плитных материалов на основе местного сырья с заранее заданными свойствами.

Цель работы. Создать научные основы процессов структурообразо-вания формирования плит на основе отходов растительного сыря и отработать технологические процессы для получения нового композиционного материала с заранее заданными свойствами и закономерностями его поведения для обеспечения высокого качества материала, сокращения удельного расхода связующего, изыскания резервов эффективности производства и снижение себестоимости строительства с использованием местных материалов.

В соответствии с целью работы сформулированы следующие направления и задачи исследований:

- раскрыть основные закономерности и особенности процессов формирования плит из растительного сырья, в связи с их внутренней структурой, определяемой структурно-механическими факторами;

- дать стуктурные представления материала в соответствии с оптимальным объемным соотношением состава анизотропного наполнителя и выявить основные закономерности взаимодействия частиц сложного наполнителя;

- исследовать механизмы совместного взаимодействия частиц в композите, состоящего из многокомпонентных структурных составляющих сложной композиции - частиц растительного сырья, лубяных армирующих волокон, склееных связующим по площадкам взаимных контактов;

- установить влияние стуктурно-механических, технологических факторов и степени контактности частиц композита на физико-механические свойства плит;

- изучить влияние армирующих добавок в виде стеблей хлопчатника, стеблей табака, отходов лент-шпона на физико-механические показатели плит с целью упрочнения материала и повышения его свойств;

- обосновать структурную модель композита, как материала, образованного с хаотическим расположением частиц в плоскости, с учетом специфического структурного строения стеблей;

- изучить на основе структурной теории композита и экспериментальных данных прочностные характеристики его с целью получения нового перспективного материала с заранее заданными свойствами и закономерностями его поведения;

- разработать математические модели для определения области построения технологических процессов формирования плит из растительного сырья и провести оптимизацию их факторов с помощью ЭВМ;

- получить аналитические зависимости уравнений, позволяющих при сложившейся для каждого предприятия системе ограничений (ограничение ресурсов, технологических параметров, разновидности сырья, связующего, денежных средств и т.д.) оптимизировать их по какому-либо критерию методами линейного программирования;

- разработать нормативную документацию на технологию изготовления конструкционных плит из отходов местного сырья и дать практические рекомендации по применению новых плит в народном хозяйстве;

- определить технико-экономическую эффективность выполнения разработок и исследований.

Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что процессы структурообразования плит из растительного сырья по физической сущности не адекватны, что подтвердило наши предположения о целесообразности поэтапного их рассмотрения - формирования ковра, упрочнения структуры, контактирование частиц;

- теоретически доказаны и экспериментально подтверждены основные закономерности и особенности процессов образования плит на принципе совместного взаимодействия составных частей вновь создаваемой композиции из дисперсных частиц растительного сырья,

в связи с ее внутренней структурой, определяемой структурно-механическими факторами наполнителя;

- получены зависимости, характеризующие структурообразование ковра плит и взаимодействия частиц до периода полимеризации, как движущейся пластической среды проклеенной массы в условиях плоской деформации.

С использованием метода стереологии дана оценка структурных параметров объемного и равномерного распределения частиц сложного наполнителя по всей толщине плиты, а фрактографический анализ "излома" и "среза" плит с применением растровой электронной микроскопии (РЭМ) позволили обосновать основные положения особенностей структурообразования и микроструктуры плит.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные с помощью люминесцентной печати и стереологии параметров структуры плит из растительного сырья убеждают в том, что физико-механические свойства этих плит следует рассматривать в зависимости от структурно-механических, технологических факторов, степени контактности частиц с учетом коэффициента структуры и прочности контактов анизотропных структурных элементов сложного наполнителя.

Установлено, что в новых плитах механизм совместного взаимодействия анизотропных частиц в изотропной полимерной матрице обеспечивается также за счет лубяных волокон, равномерно-распределенных между частицами. Это создает дополнительное армирование пакета, что повышает контактирование частиц между собой и ведет к росту показателя коэффициента структуры "ас".

Обоснована новая структурная модель композита, как материала, с хаотическим расположением частиц в плоскости, с учетом совместного взаимодействия частиц, специфического строения стеблей при 100% его использования.

Теоретически доказана и экспериментально подтверждена связь между степенью контактности частиц и средним напряжением в любом по толщине сечении плиты из растительного многокомпонентного сырья с учетом армирующих добавок и коэффициента структуры "ас".

Фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования, определившие физическую сущность совместного взаимодействия частиц сложной полидисперсной системы и основные закономерности процессов структурообразования формирования новых плит позволили установить оптимальные параметры рациональной технологии, обеспечивающей высокое качество плит из растительного сырья, ранее не используемого в этой композиции, а также получить новый композит с заданными свойствами и закономерностями его поведения.

Получен ряд новых результатов, которые позволяют определить более точно исходные параметры фракционного состава частиц сложной композиции растительного сырья, устранить "сволакиваемость" лубяного волокна, снизить расход связующего и на этой основе дать практические рекомендации по разработке рациональных режимов технологии получения новых плит.

Используя методы ускоренной оценки стойкости и прогноза долговечности материала разработаны диаграммы циклических испытаний и изменение микроструктуры образцов плит, подверженных ускоренному старению в условиях различных температурно-влажностных факторов.

Разработаны математические модели по определению оптимальной области параметров технологического процесса плит из растительного сырья, для чего выбраны и обоснованы критерии оценки качества плит, разработаны и проанализированы целевые функции, связывающие показатели структурно-механических свойств и степени контактирования частиц с технологическими факторами, а также факторы, наиболее существенно влияющие на качественный состав композита, при получении плит.

Предложены и проверены экспериментально новые технологические решения процессов структурообразования формировния плит на основе отходов стеблей однолетних растений.

Достоверность результатов работы обоснована рационаольным использованием современных средств и методов математического моделирования и фрактографического анализа в РЭМ, планирования многофакторного эксперимента.

ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ НАУКИ И ПРАКТИКИ

Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты являются научной основой для разработки и совершенствования технологических процессов получения нового композиционного материала, заменяющего древесину и другие строительные материалы.

Комплексный подход к решению всей совокупности вопросов, являющихся основополагающими проблемы создания, и получения новых композиционных материалов из отходов растениеводства с заданными свойствами, намечает перспективы повышения эффективности процессов структурообразования формирования новых конструкционно-теплоизоляционных плит различного назначения. Получен ряд новых результатов, устанавливающих основные закономерности процессов образования плит в зависимости от их структурно-

5

механических факторов с учетом особенностей строения стеблей. Это позволило получить математические модели по оптимизации построения технологического процесса в зависимости от ряда технологических факторов производства и создало возможность прогнозировать качество нового материала при различных изменениях его свойств и технологических факторов целевых функций.

Реализация результатов исследований позволяет повысить эффективность производства плит: обеспечить высокое качество материала, I снизить трудоемкость и материалоемкость, снизить процент брака, улучшить условия труда, решить проблему расширения сырьевой базы для строительства в среднеазиатском регионе. Обосновано новое направление в создании оборудования для комплексной переработки растительного сырья.

На основе исследований и рекомендаций автора разработана производственная технологическая инструкция по изготовлению конструкционных плит из отходов местного растительного сырья, технические условия на армированные конструкционно-теплоизоляционные плиты (АКПр) и армированные плиты пола (АПТв), даны рекомендации по применению их в строительстве, производстве мебели и как товаров народного потребления.

Положения, выдвигаемые на защиту

Поскольку процессы структурообразования формирования плит из дискретных анизотропных частиц растительного сырья учитывают характер совместного взаимодействия межцу элементами трехфазного композита, то закономерности формирования плит рассматриваются с позиции физико-химической механики композиционных материалов, научного направления, сформированного в основополагающих трудах П.А. Ребиндера, С.Г. Лехницкого, А.Л. Рабиновича, Ю.М. Тарнополь-ского, М.Я. Леонова, А.И. Лясса, В.В. Болотина. При этом учитывались структурно-механические факторы, позволяющие прогнозировать свойства вновь создаваемых сложных композиций:

- дисперсность измельченных стеблей растительного сырья, характеризуемая породой древесины, сортом хлопчатника, табака, фракционным составом частиц, формами и геометрическими размерами, видом распределения частиц и армирущих добавок;

- влажность исходного растительного сырья при его дроблении и фракционировании его в технологическом процессе;

- конструкция плиты, характеризуемая объемным соотношением фракций различной дисперсности и плотности;

- физико-механические свойства сложной композиции сырья;

- степень контактности частиц полидисперсной системы, склееных связующим по площадям взаимных контактов;

- прочность отдельных контактов структурных элементов и армирующих добавок с учетом ориентации частиц и действующих нагрузок;

- взаимное расположение частиц и лубяного волокна в плоскости плиты с учетом специфического строения стеблей;

- технологические параметры процессов формирования плит.

Методы экспериментальных исследований, позволяющих

качественно и количественно оценить степень влияния перечисленных выше факторов на формирование плит, позволили обосновать отличительные особенности структурообразования плит от традиционных древесностружечных в технологическом процессе производства их, а также получить необходимые экспериментально-теоретические зависимости для разработки математических моделей построения технологических процессов для плит из растительного сырья с заранее заданными свойствами.

К этим методам относятся:

- стереометрическое определение параметров структуры распределения дисперсной фазы в композите из многокомпонентного сырья;

- фотометрирование зоны контактов частиц процессов формирования плит на основе люминесцентной печати;

- определение коэффициента структуры стружечного пакета с учетом содержания лубяного волокна в зависимости от сорта стеблей;

- исследования структуры композиционных плит в растровой электронной микроскопии (РЭМ);

- физико-химический метод экстрагирования для определения изменения химических свойств стеблей хлопчатника в технологическом процессе;

- оценка стойкости и прогноза долговечности плит из растительного сырья.

Практические рекомендации, направленные на варьирование процессов формирования сложного сырьевого состава плит с заданными свойствами.

Математические модели, определяющие области построения технологических процессов формирования плит из отходов растениеводства в зависимости от производственных факторов.

Апробация полученных результатов. Основные результаты исследо-. ваний диссертации, отдельные ее разделы были заслушаны, обсуждены и получили одобрение научно-технической общественностью: ежегодных Всесоюзных научно-технической конференциях в г.

Челябинске по целевой направленности разработок строительных конструкций из эффективных местных и модифицированных материалов и отходов производства в 1982-94 г.г., на Всесоюзной конференции по композиционным материалам в г. Ташкенте в 1983 г., г. Новосибирске - 1983-92 г.г., г. Красноярске - 1986 г., г. Ивано-Франковске - 1987 г., г. Владимире - 1988 г., г. Риге - 1984 г., г. Ленинграде, ЛТА в 1986-1990 г.г.; Всесоюзном совещании в г. Бишкеке - 1986 г.; Международной конференции в г. Москве в 1990 году, республиканских научно-технических конференциях в г. Бишкеке 1982-96 г.г., г. Коканде Узбекистана - 1986 г., г. Ташкенте - 1987-90 г.г. Результаты работы и экспонаты композиционных плит неоднократно демонстрировались на ВДНХ СССР и Кыргызской республики, в 1988 г. - бронзовая медаль ВДНХ СССР, на ярмарке Среднеазиатского региона в 1990 г., на международной выставке в г. Багдаде (Ирак) в 1989 г., в г. Сеуле (Корея). -в 1993 году, на 2-ом международном симпозиуме в г. Одессе - 1995 году. Интерес, проявленный к содержанию докладов отражен в рекомендациях, которые предлагают промышленности широкое применение полученных научных результатов. Результаты экспонирования новых плит вызвали интерес отечественных предприятий и зарубежных фирм в Ираке, ФРГ, Индии, Корее. Промышленная провека основных научных положений и внедрение результатов исследований в народном хозяйстве проведены в 1982-94 г.г. на предприятиях НПО "Кыргызаилкурулуш" (Главкиргизагропромстрой), Госстроя Кыргызской Республики, деревообрабатывающих предприятиях в г. Бишкек, г. Джалал-Абад, г. Ош, НПО "Универсал", а также использованы в учебном процессе при изучении дисциплины "Конструкции из дерева и пластмасс". Опубликовано: учебное пособие, книга, производственная инструкция по изготовлению плит и ТУ 10-89.01.02-89.

Теоретические положения диссертации подтверждены лабораторными и производственными исследованиями, которые проводились в рамках Общесоюзной научно-технической программы "Разработка научнообоснованных предложений и исследование рациональных типов строительных конструкций , обладающих высокой сейсмостойкостью и имеющих оптимальную материалоемкость" (1982-86 г.г.), раздел 6.4.2., и "Разработка теоретических основ расчета на прочность деформируемых тел и сред" раздел 1.9 (1985-91 г.г.), республиканской научно-исследовательской программы "Стройпрогресс" (1992-97 г.г.), под руководством автора в лабораториях Бишкекского политехнического и Кыргызского архитектурно-строительного институтов по плановой тематике кафедры металических и полимерных конструкций, с участием кафедры полимерных и теплоизоляционных материа-

лоб Новосибирской Государственной академии строительства (шифр 0.29.10, 0.28.90, 0.74.03, № Госрегистрации - 01880089917, 01880002184 и 01825005555).

Экономический эффект от внедрения разработанного способа получения плит из растительного сырья и рекомендации по применению их в строительстве составляет в ценах 1984 г. около 800 тыс. рублей.

Публикации: Основные результаты исследований опубликованы в научных работах, включающих монографию, статьи, учебное пособие, брошюры.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Текстовая часть изложена на 322 страницах и приложений на 39 страницах. В работе содержится 47 таблиц, 93 рисунка, список литературы насчитывает 156 наименований, в том числе 13 на иностранных языках.

Научные консультанты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Новосибирской Государственной академии строительства Хрулев В.М.; доктор физико-математических наук, академик HAH Кыргызской Республики|М.Я. Леонов|

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются аргументы в пользу применения фундаментальных наук и в первую очередь механики композиционных материалов, позволяющих выработать новый подход к созданию научных основ структурообразования композиционных плит из отходов растительного сырья, обосновывается актуальность исследований структурного формирования плит с заданными свойствами, формулируется цель и задачи исследований, научные положения, выносимые на защиту, раскрывается новизна работы и научных результатов. Введение содержит данные о значимости результатов исследований для науки и практики, внедрения полученных результатов, публикациях автора, приводится структура и объем диссертации.

Первый раздел посвящен состоянию проблемы создания композиционных плит на основе отходов растительного сырья. Приведены виды конструкционно-теплоизоляционных плит на основе композиций растительного сырья. Дан анализ работ по исследованию, технологии изготовления и применения в промышленности плит из растительного сырья на различных вяжущих. Показана особенность в технологии производства композиционных плит из отходов стеблей хлопчатника и табака на основе полимерных смол, а также перспективность использования их в строительстве. Обоснован способ по-

9

лучения композиционных плит на основе сложной композиции отходов растениеводства.

При решении проблемы использования стеблей растениеводства для изготовления плитных материалов ряд советских и зарубежных исследователей (Аккерман A.C., Мезенцев A.B., Голубицкая Г.А., •Брикман Э., Петри В.Н., Симуник Б., Лазарева А.Д.) следовали по пути создания пьезотермопластиков, аналогичным лигноуглеводным древесным пластикам. Ввиду сложной технологии, длительности технологического цикла, значительных капитальных затрат, этот способ не нашел практического применения.

В литературе по производству древесностружечных плит возможность применения стеблей однолетних растений, в том числе и стеблей хлопчатника в качестве сырья упоминается рядом авторов (Шварцман Г.М., Кауфман Б.Н., Отлев И.А., Эльберт A.A., Наназашвилли И.Х., Назиров Н., Отливанчик А.Н.), но не приводятся конкретные разработки и рекомендации по технологии. Западногерманской фирмой "Bahre Metallwerk" предлагалось отделять лубяные волокна из стеблей (с целью уменьшения пластичности стебля хлопчатника при дроблении) и производить выпуск плит по обычной технологии только из 50% массы стебля.

Предложенный фирмой способ для внедрения в Узбекистане - из-за сложной технологии и получения 50% неликвидных отходов (лубяного волокна) не нашел практического применения.

Значительный вклад в теорию и технологию плит из растительного сельскохозяйственного сырья внесли отечественные ученые: Акчабаев A.A., Касимов И.К., Курдюмова В.М., Гончаров H.A., Стоянов В.В., Хакимов Ш.А., Хрулев В.М., Негматов С.С., Саидов М.М., Ильченко Л.В., Куликов В.А.

Благодаря особенностям анатомического строения структуры растительного сырья, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа JSMT-20 и идентичности строения его с древесиной, еще раз подтверждает о его пригодности для производства плитных материалов. Образование плит из растительного сырья возможно лишь при условии создания контакта склеиваемых поверхностей наполнителя со связующим и сохранение этого контакта до отвердения связующего. При воздействии внешнего давления происходит сближение частиц наполнителя, в дальнейшем (при возрастании давления) деформации частиц, и, как следствие, увеличение площади контакта, что способствует повышению прочности склеивания. Таким образом, структура и явления, приводящие к образованию композиционных плит, свидетельствуют о сложности происходящих физико-химических

I процессов, зависящих от многочисленных факторов и определяющих I свойства готового композиционного материала. Из анализа результа-1 тов выполненных работ следует, что до настоящего времени не был решен вопрос полного количественного описания распределения дисперсных частиц наполнителя из растительного сырья в композите, содержащем до 50% лубяного волокна, что не позволяло количественно оценить влияние технологических режимов переработки материала на структурную организацию наполнителя, и в конечном итоге, на физико-механические свойства новых плит, прогнозирование упругих и прочностных их свойств.

Результаты многолетних экспериментально-теоретических исследований, проводимых в Кыргызской республике под руководством автора позволили вскрыть ряд нерешенных вопросов по созданию и получению композиционных плит из растительного сырья сложной композиции (частиц стеблей хлопчатника - 60%, табака - 32%, древесных отходов - 8%). Совершенствуя процессы структурообразования формирования плит из растительного сырья, с учетом структурно-механических свойств его, установлены особенности и основные закономерности технологических процессов изготовления плит на основе сложной сырьевой композиции. Разработан способ получения оптимальной фракции сырья (10/5 и 5/2,5) при насыпной массе 40-60 кг/м3, с учетом влияния пластичности лубяного волокна при 100% использовании стеблей, влажность стеблей перед дроблением установлена в пределах гигроскопичности, достигая это путем замораживания их или предварительной сушкой, предложен способ рассредоточения структурных элементов, устраняющий сволакиваемость волокна в смесителе, достигнута однородность проклеенной массы, обеспечивающей стабильные расчетные характеристики новых плит. Выявлено влияние лубяного волокна стеблей на процессы дробления и влажности стеблей на кондиционный выход при дроблении, установлены режимы сушки частиц (^ = 172 " С) и определено влияние структурных и физических свойств стеблей на процессы сушки. Разработанные математические модели позволили определять оптимальную область параметров для построения технологического процесса. Создание новой конструкции плит с повышенными физико-механическими показателями достигнуто за счет армирования их природным лубяным волокном, цельными стеблями или отходами лента-ми-шпона, введения гидрофобных и специальных добавок.

Одним из главных факторов в создании монолитного композиционного материала - плит, является его структурообразование, структура, или внутреннее строение, выражающее определенный характер

связей и порядок сцепления частиц и лубяного волокна из которых образуется композит. Оно обуславливается химическими и физико-химическими связями между контактируемыми в плите частицами. Устойчивая структура данного материала обеспечивается в основном внутренними силами, сосредоточенными по поверхностям раздела контактируемых тел. Данная система будет гетерогенной, неоднородной, состоящей из различных по своему составу частиц растительного сырья и будет являться дисперсной системой, так как в ней представлена совокупность частиц, более или менее диспергированных (раздробленных).

Определенный научный вклад в вопросах структурообразования древесностружечных плит, а также контактирование частиц освещался в работах советских и зарубежных авторов: Аврусин A.A., Израелит

A.Б., Романов Н.Т., Гамов В.В., Товмасян Ю.М., Kühne Niemz, Arima Jakanori, Altenbach J., Bauchan O., Otto Suchland. Авторы описывали структуру готовой стружечной плиты на чисто визуальных наблюдениях и не базировались на специальных исследованиях. Воссоздавая модель ДСтП авторы в основном представляли структуру готовой склее-ной плиты и не затрагивали вопросы структурообразования в процессе склеивания, также сравнивался стружечный пакет с пакетом из шпона, состоящий из идеально прямоугольных "частиц", применялся также метод ориентации частиц. Рядом авторов (Маневич Л.И., Кобелев

B.В., Григолюк Э.Я., Richard Kusian, Кольман Ф., Семеновский А.Л.) рассматриваются модели ДСтП как корпускулярного строения, т.е. строению многих адсорбентов-ксерогелей, также идеализирована структура в виде "кирпичной кладки" или состоящую из призматических пластинок, также важнейшим фактором рассматривалась флуктуация плотности наполнителя и т.д. Для анализа структурного поведения наполнителя часто использовались обобщенные стержневые модели, анизотропные тонкостенные конструкции, ориентация частиц по эллипсу, формы вытянутого параллелепипеда и т.д. Для определения теоретической прочности ДСтП была предложена модель, состоящая из плотно уложенных эллипсоидов, спаянных между собой. В перечисленных моделях не учитывалось, что плита представляет собой полидисперсную систему состоящую из элементов различных размеров и формы, способных к укладке с различной степенью плотности.

Отличительной особенностью структуры новых плит является то, что лубяные волокна объединены в нити, которые имеют искривленную форму и переплетены между собой и частицами наполнителя. Для выбора расчетной схемы и модели необходимо рассмотреть вопрос об

ориентировании, взаимном положении частиц и лубяного волокна в стружечном пакете с учетом структурно-механических характеристик наполнителя и их анизотропии, а также характер распределения усилий в стружечном пакете.

Проведенный анализ научных работ по исследованию процессов структурообразования композиционных плит дает основание утверждать, что, в основном, эти работы носят чисто эмпирический характер и не содержат теоретических разработок. Но следует отметить, что описание структурных моделей ДСтП с разных позиций, накопленный опыт производства плит из лигноцеллюлозного сырья, оптимизация технологических процессов их является закономерным этапом развития научного познания в этой области, позволяющим перейти к новому этапу - созданию научных основ процессов структурообразования формирования плит на основе отходов растениеводства. Это требует дальнейшего совершенствования разработки, обобщения в рамках комплексных исследований процессов формирования плит из нетрадиционного растительного сырья, важнейшей формой реализации которых можно считать диссертацию, тем более, что в этой области технологии получения композиционных плит из отходов растениеводства с заранее заданными свойствами и внутренней структурой, докторских диссертаций подготовлено не было.

Во втором разделе рассматривается структурная теория процессов формирования композиционных плит на основе сложной композиции растительного сырья, В основу исследований закономерностей процессов, протекающих при изготовлении материала, заложены принципы физико-химической механики. При проектировании оптимальной структуры материала за основу принят комплекс наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных его свойств, обеспечивающий наибольшие показатели прочности.

Процесс структурообразования плит условно весь может быть разделен на три периода: 1 - формирование; 2 - упрочнение структуры; 3 -контактирование частиц.

Уплотнение прессматериала происходит одновременно в результате пластической и упругой деформации составляющих частиц, их относительного смещения и сжатия.

Композиционные плиты содержат связующего 6-10%. Это снижает роль полимерной матрицы в работе композиции, основным элементом является текстура частиц наполнителя. В плитах, в процессе структурообразования, частицы наполнителя, подвержены принудительной ориентации, а сам стружечный ковер в процессе сжатия, когда частицы в основном принимают положение параллельно плоскости

плиты, можно рассматривать как идеально-пластическую среду в условиях плоской деформации.

Это предположение дает возможность в условиях плоской деформации движущейся пластической проклеенной массы ввести в рассмотрение пять неизвестных функций:

Хх(х,уД); Уу(х,уД); Ху(х,уд); Ух(х,уД); Уу(х.уД), х,уД - три компонента тензора напряжений и две проекции вектора скорости на оси х и у.

Исходя из системы уравнений, описывающей состояние движущейся идеально-пластической среды:

уравнения (1) и (2) представляют собой уравнения движения среды, записанные в переменных Эйлера, а р0=¡р,

где рс - плотность; р - средняя плотность частиц наполнителя; j -коэффициент, учитывающий содержание лубяного волокна; X, У -проекции массовых сил, положительные направления которых совпадают с положительными направлениями осей координат.

Уравнение (3) является условием пластичности и выражает условие постоянства максимального касательного напряжения, равного "К", или линий скольжения. Уравнение (4) представляет собой условие сплошности для сред. Уравнение (5) выражет условие совпадения направления максимальных скоростей деформаций сдвига с направлениями линий скольжения. Для пластической среды стружечного ковра эта формулировка приводит к условиям коаксиальности тензора напряжений и скоростей деформаций, выражающихся в линейной скалярной зависимости между соответствующими компонентами:

n Xx + Yy „ , ,,

где P = —-—- ; v - скалярный множитель, являющийся функцией

координат и времени.

Условие, выраженное уравнением (5), можно интерпретировать иначе (рис. 1). Если производная проекции вектора скорости на некоторое направление по нормали к этому направлению имеет максимум, то это направление совпадает в данной точке с направлением линии скольжения. Введем локальную систему координат X и Y, обозначив через ^ угол между осями х и х'.

Очевидно, что х'= &<> эе + ас cos эе-

= Уо c°s эе я-si/i Ре.

^ у.

В результате: ^' ^ - ' (7)

Из рис. 1 и соотношения (7) очевидно что " определяет углы между осью х и направлением максимальных скоростей деформаций сдвига, которые в свою очередь, совпадают с направлением линий скольжения.

Отсюда следует справедливость сформулированной выше интерпретации, что удовлетворяет условиям пластичности (3):

Xx + Yy ui+ffo Р ,

X = — = = —, где х - новая функция тензора напряже-

2К 2 К. К

ний;

Предположим, что бесконечно длинная пластическая полоса стружечного ковра сжимается двумя жесткими параллельными плитами, одна из которых - жесткое основание.

Для решения этой задачи необходимо задать величины р и Vy на линиях контакта плит и пластической среды ковра. Пусть h - толщина плиты, тогда y=h,

Xy = K;/?=-^;Vy =-U = const (8)

P - угол между положительным направлением оси X и направлением маскимального главного нормального напряжения 0[

Из третьего соотношения (8) следует, что скорость плиты задается соотношением Уу=-Ш.

Таким образом, плита движется с постоянным ускорением. Так как плиты предполагаются бесконечно длинными, то естественно считать, что р и Уу не зависят от координаты "х". Удовлетворяя первому условию (8), необходимо еще удовлетворить условиям:

|,Хх|х==о.ау = 0;^Ух|х=ос1у = -и.1)

где 1 - длина полосы. Первое из этих условий выражает равенство нулю вектора полного усилия в поперечном сечении полосы, а второе требует, чтобы количество проклеенной массы в горизонтальной плоскости было равно расходу смеси, смещаемой плиты в направлении оси "у". Для сохранения механического процесса структурообразования плиты до ее полимеризации необходимо, чтобы сг1/о'2=Ь1/ Ь2=У|2/У|, т.е. чтобы отношение напряжений было

прямо пропорционально отношению квадратов скоростей.

На рис. 2 приведен график зависимости, характеризующей процессы структурообразования ковра плит, как движущейся пластической среды в условиях плоской деформации при различных значениях "а",

Рис. 1. Интерпретация Рис. 2. График

уравнения (5) зависимости О-Г

При определении расчетной схемы взаимодействия частиц и их роли в жесткости композиции, пакет из частиц стеблей растений рас-

сматриваетя как безраспорная зернистая среда со слоем конечной толщины, расположенной на жестком основании под действием определенной нагрузки. От вида нагрузки зависит площадь контакта между частицами, через которые передаются от слоя к слою напряжения, создаваемые плитой пресса. При исследовании характера распределения средних значений напряжений и условий передачи усилий от частицы к частице принят принцип осреднения размера частиц. Каждую частицу рассматриваем как элемент, имеющий две опоры при плоской и четыре при пространственной задаче. В расчетной схеме положения частиц точка приложения равнодействующей силы носит случайный характер.

Рапределение усилий между опорами осуществляется неравномерно и оцениваетя коэффициентом неравномерности Кн = — . В каждом

>2

конкретном случае величина нормальных напряжений в пакете зависит от структурных характеристик применяемых частиц, способа формирования и прессования пакета, а также характера нагрузки, установленной на основе предварительных экспериментов.

Рис. 3. Расчетная схема положения частиц, а - схема взаимодействия частиц;

б - схема неравномерной передачи усилий на частицы в плоской задаче.

За счет лубяных включений в пакете повышается контактирование частиц между собой, что ведет к росту коэффициента структуры "ас", который определен с учетом структурных характеристик наполнителя:

где Ка и К„ - коэффициенты неравномерности передачи усилий;

Кф - коэффициент фракционного состава наполнителя принимается с учетом содержания лубяного волокна и равен 1,644-1,68; х -

(9)

угол, характеризующий положение частиц при прессовании; а, Ь, с -соответственно ширина, длина и толщина частиц, мм.

Для пакета с армированием однородным материалом, изменение среднего значения степени контактности цср. зависит от среднего для рассматриваемого участка значения напряжения :

^ -- ^^[¡^Н^^-Г?]^' (Ю)

где Рк - величина контактного усилия; - переменная интегрирования; Ъ - количество слоев по высоте, г=ап; р - коэффициент учитывающий жесткость основания, принимается равным 0,3-0,7; ц -степень контактности частиц.

Исходя из теории зернистых сред, учитывая специфику структуро-образования частиц из сложного наполнителя и особенности их изготовления, уравнение связи между степенью контактности частиц и средним напряжением в любом по толщине сечении плиты примет вид:

> (11)

где ц - среднее значение степени контактности, %; Рк - внутренние силы ковра, прижимающие частицы друг к другу (в том числе и силы веса); у - коэффициент учитывающий плотность частиц из стеблей хлопчатника, принят равным 0,68; п - эмпирический коэффициент, зависящий от свойств прессмассы; ц11Ср. - начальная величина степени контактности (до приложения сжимающего усилия), %.

Используя уравнение (11), можно установить пределы минимальной величины степени контактности, обеспечивающей необходимую прочноть плит при наименьшей плотности их и наименьшим расходом связующего по сравнению с древесностружечными плитами.

Для описания геометрии анизотропной пористой плиты предложена структурная модель (рис. 4), состоящая из геометрически подобных элементов, имеющих, в основном, форму прямоугольника и эллипсоидов разных размеров, спаянных между собой в местах контакта с включением лубяного волокна. Степень анизотропии при этом характеризуется соотношением числа элементов, ориентированных по главным направлениям.

Эта схема анизотропии обусловлена тем, что распределение анизотропии частиц наполнителя при допущении нехаотична, а разброс ограничен определенными углами сро, 0о и Переход осей из положение Ох>у>2 в положение 0Х| дан на рис. 5. Для выражения направляющих косинусов через углы 6, (р и у обозначим '), к - орты фиксиро-

ванных осей х, у, г\ У, к - орты Х|, у„ Принятая подвижность системы координат в пространстве позволяет оценить степень ориентации частиц в материале. Если условиться совмещать ось х( с направлением волокон в частице (осью а), ось У| - с радиальным направлением (направлением г), а ось z¡ - с тангенциальным направлением I, то углы Ч» и в будут характеризовать разброс частиц относительного напряжения в материале, принятого за ось х. Плиты с ориентированными частицами образуют квазитропный материал, т.е. материал с ортогональной схемой анизотропии. В дальнейшем условимся совмещать оси х, у и г с главными осями упругой симметрии этой текстуры.

В основу стуктурной теории прочности плит с целью оптимизации строения материала и технологии, композиционный материал необходимо рассматривать как сложную композицию наполнителя и полимерного связующего, их совместную работу и механизм взаимодействия. Такой подход к описанию прочности не традиционен. Эти материалы являются сложной полимерной комбинацией нескольких составляющих. При изучении поверхности разрушения плиты в помощью сканирующего микроскопа наблюдается разрушение частиц наполнителя и нарушение адгезионных связей между ними, т.е. три механизма: разрыв частиц наполнителя, в т.ч. лубяного волокна, выдергивание частиц из композита и разрушение полимерной матрицы. Учитывая вышесказанное и правило "смесей", определен предел прочности композита.

У бГс.Л + +, (12)

где съ - доля прочности наполнителя композита за счет разрыва частиц

Кг К2- К3-К4-стн, где Кь К2, К3, К4 - коэффициенты, характеризующие долю каждого наполнителя (принимаются от заданных свойств материала); стн - доля прочности наполнителя (стеблей хлопчатника, табака, древесной стружки, лубяного волокна), или ае=ат;п- пр, где стт;п

- минимальное напряжение, при котором происходит обрыв частиц; пр

- число частиц, разрушенных путем разрыва; ас в. - прочность материала за счет сопротивления выдергиванию частиц из полимерной матрицы; оп м. - доля прочности композиционного материала за счет сопротивления разрушению полимерной матрицы; оК0ПТ. - прочность по контактам; ук/ун - отношение плотностей композита и наполнителя.

Рис. 4 Структурная модель композиционных плит а-а, в-в - плоскость разрушения по контактам частиц

осям координат

Таким образом создание нового композита из растительного сырья, базирующегося на принципе совместного взаимодействия частиц сложной полидисперсной системы, подтверждает физико-химические явления процессов структурообразования плит с поэтапным рассмотрением: формированием, упрочнением структуры и контактированием частиц в композите.

В третьем разделе изложены основные методические положения проведения экспериментальных исследований и обработки результа-

тов, дается характеристика используемых материалов, применяемого оборудования и приборов.

В качестве исходного сырья для произвоства плит приняты отходы растениеводства Кыргызстана: стебли хлопчатника, стебли табака или кенафа, древесная стружка, отходы шпона. Приведены особенности физико-механических свойств растительного сырья и его микроструктуры.

Для оценки структурных параметров распределения наполнителя и определения объемных структурных составляющих в композите применен "точечный метод полей" с использованием микроскопов MECIO, МУ-2.

Для получения ранее недоступной информации о характере разрушения структуры поверхности "излома" и "среза" плит использован растровый электронный микроскоп (РЭМ) марки В-301. Величины разрешения, достигаемые с помощью РЭМ при исследовании поверхности разрушения, позволили получить более ясное представление о механике процессов разрушения и структурного взаимодействия сложных фаз наполнителя из растительного сырья, а также выявить особенность микроструктуры плит, не исследуемых ранее.

В основе исследований контактной зоны в структуре плит и определения степени контактности частиц при структурообразовании применен метод информаторов. Величина степени контактности определялась в прессе П-125 на образцах размером 250x250 мм с помощью методов фотометрирования с использованием фотоэлектрического флуориметра ЛЮФ-57, работающего по принципу компенсации фотоэлементов. Для определения степени контактности в процессах струк-турообразования формирования плит в пакет закладывалась фольга с нанесенным слоем флюоресцентной краски, которая в процессе прессования переходит в точках контакта с фольги на частицы. Результаты экспериментов, поставленных по классической методике, оценивались с ошибкой, не превышающей ± 5%.

В разделе также изложена методика проведения многофакторного планирования эксперимента с применением современных методов математической теории и вычислительной техники. Определено влияние различных технологических факторов на физико-механические показатели компонента и степень контактности частиц при структурообразовании плит. Изложен метод, определяющий оптимальную область параметров для построения технологического процесса плит, моделируемого уравнениями связей.

Для оценки структурно-механических свойств плит приняты три критерия, наиболее полно характеризующие свойства плит: У[ - предел

прочности при статическом изгибе; У2 - степень контактности частиц; | У3 - предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти пли-; ты. В эксперименте варьировались одновременно все факторы, рассматриваемые следующей задачей функции связи:

Yi=f(xi,x2,x3); Y2=(p(xbx2,x3, Х4); Y3=P(x,,x2,x'3), где Xi - коэффициент сырьевой композиции; х2 - количество армирующих добавок; х3 - содержание смолы; х'3 - количество лубяного волокна; Х4 - плотность композита.

Результаты экспериментальных данных были обработаны на машине IBM PC/AT.

Четвертый раздел содержит экспериментальные исследования процессов структурообразования формирования плит из растительного сырья. Стереометрический метод позволил установить важнейший принцип рациональной оценки микроструктуры плит строго по количественному и объемному составу наполнителя, выраженному конкретными величинами составляющих параметров микроскопического строения. На микрофотографиях шлифов образцов плит (рис. 6) четко просматриваются составляющие наполнителей: частицы гуза-паи - "Г" с включением лубяного волокна, частицы стеблей табака - "Т" в меньшем объеме и включения древесных частиц - "Д", связующее равномерно распределено между частицами в продольном и поперечном направлении плиты. На основе анализа микрофотографий шлифов плит с числом трех структурных составляющих наполнителя композита подтверждены оптимальные объемные доли каждой составляющей в структуре композита, характеризующиеся коэффициентом сырьевой композиции "Кс".

Фрактографический анализ образцов плит в РЭМ (рис. 7) показал, что все составляющие компоненты исследуемых образцов как при "изломе", так и в "плоском срезе", при заданных параметрах технологического процесса, равномерно распределены в структуре плиты и обеспечивают оптимальное взаимодействие проклеенных контакти-руемых частиц. Адгезионные свойства улучшаются за счет пропитки через поры. Определено, что все компоненты плотно переплетены, а упрочнение композита прослеживается за счет упругих свойств армирующих включений лубяного волокна (рис. 8). Мелкие же частицы заполняют поры, которые, в противном случае, оставались бы "слабым местом" материала (при разрушении). Характер разрушения и компактность частиц на поверхности "среза" (рис. 9) показал, что ломается не один "прутик", а целый "веник", который сломать в несколько раз труднее. В результате возникает очень сложный связующий каркас в матрице наполнителя, что обеспечивает механизм взаимодействия частиц, а следовательно и максимальную прочность материала с за-

данными свойствами. Экспериментально подтверждено, что основные физико-механические показатели плит из растительного сырья зависят от степени контактности частиц ц при структурообразовании.

Рис. 6. Микрофотографии шлифов с продольной (а) и поперечной (б) ориентацией частиц при объеме составляющих: Г - 60%, Т - 32%, Д - 8%

б>

л......-гЬ^.у..«^'.

Рис. 7. Поверхности "излома" (а) и "среза" (б) плит в РЭМ.

Значения ц степени контактности увеличиваются с ростом коэффициента сырьевой смеси "Кс" до величины Кс = 0,4 - 0,5, а затем снижается. Содержание частиц стеблей хлопчатника до 60% в массе наполнителя является рациональным, в смысле максимального взаимодействия площадей контакта с пористыми частицами табака (32%). Это обеспечивает максимальные пределы прочности при статическом изгибе и перпендикулярно пласти плит при минимальной величине степени контактности ц = 52-65%. Это удовлетворяет требованиям при изготовлении строительных изделий. При определении зависимостей прочностных показателей плит от степени контактности частиц име-

23

ются расхождения между экспериментальными данными и теоретическими - 3,2%, что допустимо. Упрочнение композиционнных плит армирующими включениями лубяного волокна и стеблями позволяет получить материал с повышенными прочностными характеристиками при минимальной массе. Полученные зависимости влияния структурных, технологических факторов и степени контактности частиц композита на прочностные характеристики плит подтверждают принцип совместного взаимодействия частиц наполнителя с учетом его структурно-механических особенностей его.

а)

tfv

' л.» \У%, '

б) г—

Рис. 8. Поверхность "излома" плиты с включением: а - лубяного волокна, б - пористых частиц табака.

Рис. 9. Характер разрушения на поверхности "среза" плит плотностью: а - 850 кг/м3, б - 500 кг/м3.

Пятый раздел посвящен исследованию структурно-механического упрочнения композиционных плит. Предложенная модель структуры композиционных плит, позволяет при определении упругих свойств плит, учитывать взаимодействие частиц в композите с учетом их структурно-механических свойств. Рассматриваем застеклованное состояние полимера, когда его деформации с достаточным приближением могут считаться упругими. Связующее выполняет роль полимерной матрицы, в которой заключен механический каркас материала- текстура частиц наполнителя. Расположение частиц в композите не полностью хаотично и наблюдается их некоторая ориентация. Поэтому, в целом текстура представляет собой некоторое анизотропное образование. Вид ее анизотропии определяется степенью ориентации частиц. Для вычисления осредненных упругих постоянных текстуры частиц наполнителя использованы методы осреднения упругих свойств поликристаллических образований. Учитывая, что частицы наполнителя - податливый материал, то можно ожидать, что деформации частиц наполнителя будут следовать за деформациями композита. Применение этого метода к осреднению упругих постоянных композиционой плиты дало совпадение с экспериментом. Предполагается, что напряженное состояние частицы в каждой точке такое же, как и напряженное состояние конгломерата, т.е. ст)к=°^к- По значениям коэффициентов деформаций (элементов матрицы податливости) вычислены механические упругие постоянные текстуры частиц композита (Еп=Е22, Езз, \,)з==\'2з, у31=у32, 013=С31, С!2) с хаотическим расположением частиц в направлении главных осей упругой симметрии а, г, г. Упругие свойства текстуры плиты характеризуются шестью упругими постоянными, что характерно для трансверсально-изотропных структур. Для вычисления упругих постоянных материала слои частиц наполнителя принимаются квазитранспортными текстурами, а слои связующего - изотропными.

При рассматриваемом линейном напряженном состоянии ех=ох/Еп, тогда модуль упругости плиты:

(13)

где ус - содержание полимерного связующего;

Ег - модуль упругости частиц; у - коэффициент Пуассона плит.

Модуль сдвига плиты: * Сгз - (15)

Аналогично получены величины модуля упругости Е33, коэффициента Пуассона у31 и модуля сдвига 0)2.

Сравнительные расчетные значения упругих постояннных композиционных плит по сравнению с древесностружечными даны в табл. 1.

Таблица 1

Экспериментально-теоретические значения упругих постоянных композиционных плит

Вид плит Е"ц —ЕП22 Мпа Е„ Мпа VI2 VI 1-^32 V|.1-V2Э Мпа о,2 Мпа

Древесностружечные плиты 2755 520 0,247 0,094 0,483 376 1172

Плиты из растительного сырья:

- конструкционные 3323 673 0,208 0,269 0,529 361 517

- теплоизоляционные 849 239 0,302 0,100 0,325 217 541

Для оценки упруго-пластических свойств композиционных плит из растительного сырья определена деформируемость опытных плит постоянной влажности при местном сжатии. В результате, получены зависимости абсолютных деформаций образцов плит от напряжений при различной плотности, толщине и структурном содержании фракций. Установлено, что материал не подчиняется закону Гука и ведет себя как упруго-пластическое тело. Деформации сжатия выражаются степенной функцией: Рга=К-ДЬ, где Р - удельное давление в момент замера деформаций, Мпа; ЛЬ - абсолютная деформация, см; шик- коэффициенты уравнений деформирования, характеризующие упруго-пластические свойства плит. Критерии коэффициентов "ш" и "к", позволили построить кривые деформаций сжатия для различных плотностей трех типов плит с учетом коэффициента сырьевой смеси "Кс". Это дает возможность применять эти величины для использования материала при устройстве полов, плит покрытий и др. назначения.

Шестой раздел содержит результаты исследований структурных изменений свойств плит при различных температурно-влажносгных воздействиях: нагревании, вымачивании-высушивании и циклическом замораживании-оттаивании. В качестве основных режимов испытания плит на стойкость приняты ускоренные тепловлажностные и длительные испыта-

ния. При сухом нагревании (I =100° С) в течении 28 суток новые композиционные плиты теряют прочность на 6% меньше чем стандартные ДСтП. Это объясняется наличием закрытой пористости опытных плит и их наименьшей массой. При вымачивании-высушивании плит (1=20,70 и 100° С) критерием стойкости принято остаточное разбухание. Учитывая, что гигроскопичность стеблей хлопчатника и табака значительно меньше, чем древесины, а кинетика набухания их принципиально различна (рис. 10), рост остаточных деформаций опытных плит менее интенсивен, чем ДСтП. При испытании плит на морозостойкость изучены изменения их свойств и эффективность исследуемых защитных покрытий при многократном замораживании и оттаивании при температуре 20° С. Установлено, что новый материал, имея больше закрытых пор чем ДСтП, задерживает меньше влаги, тем самым вызывая меньше напряжения в структуре плит при замерзании воды, а следовательно, меньшее разрушение структуры.

Результаты натурных испытаний плит за два года на открытой площадке показали, что довольно резкие суточные и сезонные перепады температур, характерные для Средней Азии, влияют на деформацию плит, создают внутренние напряжения и уменьшают стойкость их, но при всем этом, не вызывая заметных деформаций по величине. Испытанные под навесом плиты сохранили внешние признаки плотной структуры, а рост необратимых деформаций набухания и изменения прочности их при изгибе меньше чем у стандартных

Рис. 10.

Кинетика набухания в воде при 20° С: 1, 2 - стеблей хлопчатника и табака в радиальном направлении; 3, 4 - то же в тангенциальном направлении; 5 сосна в радиальном направлении.

ДСтП, а, следовательно, новые плиты меньше подвержены деструкции. Увеличение остаточных деформаций на 1% соответствует 3-4% снижения прочности плит. Полученные при исследовании структурных превращений испытуемых плит результаты ИК - спектроскопии, показали, что между целлюлозным субстратом растительных частиц и связующим образуются физико-химические связи по типу водо-

27

родных. Спектрограммы показывают, что начальные колебания в области 940-1030 см"1, характеризующие валентные связи С=0, после термообработки плит смешаются в область 970-1080 см"1. Это указывает на незначительные деструктивные процессы. В спектрограммах образцов, подвергнутых кратковременному кипячению, наблюдается изменение колебаний в области 1120-1350 см"1, относящихся к С-Н связям характерным для карбамидного связующего. Это означает деструктивные изменения в связующем и его адгезии с частицами композита. Структурные изменения плит, на микрофотоснимках показали, что за счет тепловых воздействий отмечено преобладание частичного разрушения по частицам из стеблей табака и древесины, но в то же время сохраняется целостность частиц и стеблей хлопчатника с лубяным волокном. Кроме того, обладая в силу своего строения, повышенной деформативностью, они могут играть и роль компенсаторов внутренних напряжений, возникающих при эксплуатации плит в тер-мовлажностных условиях. Рентгеноструктурный анализ образцов плит (рис. 11) после циклической термовлажностной обработки показал: наблюдается сглаживание и уменьшение дифракционных эффектов (кривые 2 и 3) по отношению к контрольному образцу (кривая 1), отсутствие новых эффектов после термовлажностной обработки (кривая 2) и нагревания в термошкафу (кривая 3) говорит о том, что новые структуры, после термических воздействий не образуются.

Рис. 11. Рентгенограмма композиционной плиты на основе стеблей хлопчатника и табака.

30 8 6

г го в 6 4 2 ю

Стрость снятия, °/мш/. Таким образом структура сложного наполнителя композита, включающая длинноволокнистые частицы стеблей хлопчатника и по-28

ристые частицы табака повышает прочность и стойкость плит к темпе-ратурно-влажностным воздействиям.

Седьмой раздел посвящен анализу и математической обработке данных экспериментальных исследований. Полученная математико-статистическая модель, определяющая оптимальную область параметров для построения технологического процесса при заданных пределах прочности при изгибе (У) < 27,88 Мпа) и перпендикулярно плас-ти плиты (У3 > 0,32 Мпа), степени контактности частиц (У2 £ 50,1%), в зависимости от исследуемых факторов, представляет собой поверхность второго порядка и эквипотенциаль двумерного нормального закона распределения, описываемую уравнениями вида:

(л, (тс3 -о.ог/

о, се г

/¿ГАЗ

= {

(16)

(е,е -о,оА(?4о~-а:4)г ' (о,-оааог(ум-ЩТ^огбТТ^х^р (17) Уз(ъ, яг/х'3) = есу[~го/(хг -?ор.)3~ з(х'3 -&/1 ()

Графическое построение оптимальной области существования технологических процессов производства плит из растительного сырья приведено на рис. 12. Это геометрическое место точек, принадлежащее одновременно и эллиптическому параболоиду и какому-либо сечению эллипсоидов, определяет область, в которой одновременно удовлетворяются поставленные требования целевых функций У); У2 и У3.

Рис. 12.

Построение области существования параметров целевых фун-кций Уь У2, Уз-

^ г г 1

Применение статистических методов обработки структурно-механических показателей плит на ЭВМ показали достоверность выводов, полученных по экспериментальным данным.

В восьмом разделе рассмотрена технико-экономическая оценка результатов работы. Определены условия и даны рекомендации по практическому применению разработок в народном хозяйстве. Высокие прочностные и теплоизоляционные свойства плит (табл. 2) позволяют использовать их в качестве конструкционого, теплоизоляционного и отделочного материала в строительстве взамен ДСтП и древесины

Таблица 2

Технические характеристики композиционных плит (размером 900x3000 мм)

Показатели плит конструкционные 5=22-25 мм теплоизоляционные 5=40-80 мм отделочные 5=19 мм

Предел прочности, Мпа:

- при статическом изгибе 27 17 16

- при растяжении 1 пласти плит 0,44 0,32 0,31

- плотность, кг/м3 850 480 450

- разбухание за 24 часа, % 5,0 5,6 5,2

- модуль упругости, МПа 820 605 572

- коэффициент теплопроводности Вт/(м"К) 0,12 0,09 0,13

По санитарно-техническим требованиям разработанная структура плит удовлетворяет нормам миграции свободного формальдегида, которая составляет 45-55 мг на 100 г. плиты при нагревании до 40 °К.

Экономия натуральной древесины от производства и применения плит в объеме 30 тыс. м3 составляет около 75 тыс. м3 в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создание сырьевой композиции из растительного сырья, базирующейся на принципе совместного взаимодействия частиц сложной полидисперсной системы позволило установить оптимальные параметры рациональной технологии, с учетом специфических условий переработки стеблей при 100% их использовании, а также получить новый композит с заданными свойствами и закономерностями его поведения.

2. Обоснованы физико-химические явления процессов структуро-образования и формирования многокомпонентной композиции плит с учетом различного фракционного состава растительного сырья. Процесс структурообразования плит поэтапно включает три периода: формирование, упрочнение структуры, контактирование частиц.

3. Установлено, что уплотнение прессматериала при прессовании плит происходит одновременно в результате пластической и упругой деформации составляющих частиц, их относительного смещения и сжатия, а сам стружечный ковер рассматривается как идеально пластическая среда в условиях плоской деформации. Напряжение максимальных скоростей деформаций сдвига частиц совпадает с направлением линий скольжения.

4. Получены зависимости, характеризующие процессы структурообразования ковра плит и взаимодействия частиц до периода полимеризации, как движущейся пластической среды проклееной массы в условиях плоской деформации при различных значениях параметров угла наклона частиц "а".

5. Теоретически обоснована структурная модель и расчетная схема взаимодействия частиц при формировании композиционных плит -это безраспорная зернистая среда на жестком основании, нагруженная произвольно заданной нагрузкой при неравновероятной передаче усилий между частицами. Механизм взаимодействия площадей контакта частиц по всему сечению плиты происходит неодновременно, т.к. деформации стружечного ковра претерпевают некоторые смещения -упругие пластические, а значения напряжений возникающих в любой точке прессуемого пакета зависит от коээфициента структуры "ас".

6. Получено уравнение связи, позволяющее определить степень контактности частиц в зависимости от среднего напряжения в любом по толщине сечении плиты, с учетом лубяных включений и добавок частиц из стеблей табака и древесины, а также внутренних сил стружечного ковра и свойств прессмассы.

7. Выявлено влияние структурно-механических факторов при конструировании модели композиционных плит, являющихся основополагающим звеном механизма взаимодействия частиц и позволяющих использовать правило "смесей" для определения прочности плит из сложной сырьевой композиции и заданных свойств материала.

8. Рассмотрено упрочнение композиционных плит армирующими включениями (лубяного волокна, стеблей хлопчатника или табака, отходов - лент шпона). Максимальные показатели прочностных харак-" теристик плит получены при введении в сложную композицию сырья армирующих материалов в пределах 5-6%. Определены коэффициенты

армирования конструкционных плит, расчетные сопротивления пли на все виды работ, модуль упругости плит при сжатии и изгибе.

9. Выявлено, что наличие в структуре плиты лубяного волокна во время прессования приводит к более широкому обволакиванию связующим нитей - волокон, за счет чего увеличивается число контактных слоев, возрастает коэффициент структуры "ас" и создается монолитная структура, в которой нити-волокна образуют своего рода решетку, воспринимающую значительную нагрузку.

10. Использование стериометрического метода позволило дать оценку структурных параметров распределения наполнителя с рациональным объемным соотношением состава сложного наполнителя, характеризующегося коэффициентом сырьевой смеси "Кс" = 0,43. Параметры соотношения в сложной композиции по массе стружек: стеблей хлопчатника 60%, стеблей табака 32%, древесных отходов 8%.

11. Теоретически доказан и экспериментально подтвержден механизм взаимодействия частиц полидисперсной системы из структурных элементов сложной композиции и исследован характер разрушения структуры плит, для чего впервые использован фрактографический анализ "излома" и "среза" образцов в растровой электронной микроскопии (РЭМ).

12. Установлено, что все компоненты структуры плотно переплетены. Разрыв (разрушение) материала идет вязко, на что указывают вытянутые образования частиц после разрыва. Это подтверждет достаточную прочность при эксплуатации и позволяет использовать данный материал при статических и динамических нагрузках.

13. Получена зависимость, характеризующая влияние структурных технологических факторов и степени контактности частиц в композите на его физико-механические свойства с учетом прочности степени контактности (52-65%), удовлетворяющая требуемым прочностным характеристикам плит при заданных свойствах композита и рациональном расходе сырья.

14. Выявлен характер упруго-пластических свойств композиционного материала из растительного сырья, определены его деформационные свойства и коэффициенты деформирования "т" и "к", характеризующие свойства конструкционых плит. Получены экспериментально-теоретические значения упругих постоянных строительных плит.

15. Выявлены структурные особенности плит из растительного сырья с армирующими длинноволокнистыми включениями и их влияние на кинетику старения материала под влиянием циклических тем-пературно-влажностных воздействий. Микрофотоснимки и рентгенографический анализ подтверждают более высокую прочность и строй-

кость плит из смеси растительного сырья по сравнению со стандартными древесностружечными.

16. Предложенные математические модели, формулы и зависимости, приведенные в теоретической и экспериментальной частях структурного представления композита позволяют определить оптимальную область параметров для построения технологического процесса изготовления плит из растительного сырья, рассчитать при заданных пределах прочности плит и перпендикулярно пласти, степени контактности частиц, значения технологических факторов, установить требуемые пределы прочности и степени контактности частиц, в зависимости от структурно-механических свойств. Изготовлены опытные партии плит в заводских условиях и исследованы их свойства. Созданы и применены конструкции для малоэтажных зданий, проверены их эксплуатационные свойства. Разработаны технологическая инструкция по производству плит из растительного сырья и РТУ. Экономический эффект от производства и применения плит из растительного сырья составляет по расчетным данным в ценах 1984 г. около 800 тыс. руб., при объеме выпуска плит 30 тыс. м3.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Курдюмова В.М., Гончаров H.A. Плиты из стеблей хлопчатника. Реф. информ. //Плиты и фанера. 1981. № 3. С. 14-15.

2. Курдюмова В.М. Плиты из стеблей хлопчатника - материал для облегченных строительных конструкций //Тез. докл. научно-техн. конференции молодых ученых. - Фрунзе. 1981 С. 92-98.

3. Курдюмова В.М. Оптимизация предела прочности плит из гуза-паи при статическом изгибе при примении в облегченных строительных конструкциях. //Строительные конструкции сейсмостойких зданий в сложных условиях Киргизии /Фрунзе, 1983. - С. 73-76.

4. Куликов В А, Гончаров H.A., Курдюмова В.М. Особенности технологии изготовления плит из гуза-паи // Тездокл. 4-ой Всесоюзной конференции по композитам /АН Уз. ССР. - Ташкент, 1983. с. 105-106.

5. Курдюмова В.М., Хрулев В.М. Строительные плиты из стеблей хлопчатника и эффективность их применения // Изв. ВУЗов. Строительство и архитектура. - Новосибирск. 1984. № 6. С. 74-76.

6. Курдюмова В.М. Влияние влажности гуза-паи на процесс ее дробления в производстве строительных плнт // Изв. ВУЗов. Строительство и архитектура. - Новосибирск. 1984. № 11. С. 77-80.

7. Курдюмова В.М. Зависимость физико-механических свойств строительных плит из гуза-паи от фракционного состава сырья //Сейсмостойкие конструкции зданий и транспортных сооружений/ - Фрунзе, 1985. - С. 78-85.

8. Курдюмова В.М. Влияние лубяного волокна на процесс струкгурообра-зования плит из гуза-паи. Межвуз. сб. "Технология и оборудование деревообрабатывающих производств". - Л. 1984, стр. 36-39.

9. Курдюмова В.М. Плиты многокомпонентные из отходов растительного сырья. Межвуз. сб. Технология и оборудование деревообрабатывающих производств.: ЛТА, 1986. С. 31-38.

10. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Комбинированные панели покрытий сельскохозяйственных зданий, производимые из отходов растительного сырья /Дез. докл. Всесоюзн. конферен. по новым и прогрессивным строительным конструкциям //"Знание" РСФСР. - Челябинск, 1986. С. 52-54.

11. Курдюмова В.М., Хрулев В.М. Комплексное использование древесных отходов. Обзорн. информ. Вып. 2. М.: ВНИПИИлеспром. 1987. с. 9-18.

12. Курдюмова В.М., Хрулев В.М. Эффективные материалы из отходов местного сырья //Производство товаров народного потребления. Экспресс -информ. Вып. 4. Фрунзе: КнргизНИИНТИ. 1987. С. 14-20.

13. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Эффективность использования отходов местного сырья для производства сейсмостойких конструкций и изделий в Киргизской ССР //Тез. докл. Всесоюзной конфер. по использованию вторичных ресурсов и местных строительных материалов/. "Знание" РСФСР. Челябинск. 1987. С. 21-22.

14. Курдюмова В.М. Опыт применения отходов растительного сырья в производстве строительных конструкций. Информ. листок № 104. Фрунзе. КиргизНИИНТИ. 1988.4с.

15. Курдюмова В.М. Результаты экспериментально-теоретических исследований в производстве и применении эффективных плит из лигноцеллюлоз-ного сырья в строительстве //Сейсмостойкое строительство в Киргизской ССР/Фрунзе, 1988. С. 72-76.

16. Курдюмова В.М. Использование отходов деревообработки и растительного сырья в производстве строительных конструкций. Фрунзе: Киргиз НИИНТИ, 1989.56 с.

17. Курдюмова В.М. Повышение эффективности процессов производства конструкционных плит из отходов местного сырья //Стандартизация и управление качеством продукции. Экспресс-информ. Вып. 1. Фрунзе. КиргизНИИНТИ. 1989. С. 10-15.

18. Курдюмова В.М. Структурообразование строительных конструкционных плит из отходов древесины и местного сырья. Сб. науч. тр. Особенности проектирования сейсмостойких систем. - Фрунзе. 1989. С. 71-79.

19. Курдюмова В.М. Материалы и конструкции из отходов древесно-растительного сырья. - Фрунзе. Кыргызстан, 1990.132 с.

20. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Повышение долговечности конструкционных плит. Сб.: Повышение долговечности сельскохозяйственных зданий и сооружений. Челябинск. НСХИ. 1990. С. 64-65.

21. Курдюмова В.М., Ильченко JI.B. Конструктивные решения структуры плит на основе отходов из растительного сырья. Сб. науч. тр. "Сейсмостойкие конструкции зданий и сооружений в Киргизии". Фрунзе, ФПИ. 1990. С. 46-54.

22. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Композиционные плиты на основе растительного сырья //Междунар. конфер. по композитам. Тез. докладов, ч. II. АН СССР. - М.: 1990. С. 60-61.

23. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Композиционные плиты. Сб. Новые материалы для ремошно-восстановительных работ. -ТАСИ. 1991.С. 16-19.

24. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Композиционные древесные плиты с новыми наполнителями. Ж-л: Деревообраб. пр-ть. - М.: ВНИПИЭИлеспром. 1991. №2. С. 9-11.

25. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Влияние ускоренного старения на структурные изменения композитов. //Вторая междун. конф. "Новые материалы для ремонтно-восстановительных работ и реставрации памятников архитектуры. - Самарканд. САСИ. 1992. С. 67-69.

26. Курдюмова В.М. Особенности процессов формирования композиционных плит из растительного сырья. Информ. листок. - Бишкек, КыргНИ-ИНТИ. 1993. №30.4 с.

27. Курдюмова В.М. Структурная модель композиционных плит с дискретными частицами, армированные лубяным волокном. Информ. листок. -Бишкек. КыргНИИНТИ. 1993, № 35.4 с.

28. Курдюмова В.М. Композиционные плиты для несущих конструкций зданий. Информ. листок. - Бишкек. КыргНИИНТИ. 1993. № 36.4 с.

29. Курдюмова В.М. Конструкционно-теплоизоляционные плиты для ограждающих конструкций зданий. Информ. листок. - Бишкек. КыргНИИНТИ. 1993. № 39.4 с.

30. Курдюмова В.М., Хрулев В.М. и др. Строительные плиты из отходов переработки сельскохозяйственных растений для внутренних стен и перегородок. Тез. докл. 2-ого Междунар. симпозиума "Современные конструкции из металла и древесины". - Одесса. 1995. С. 34-37.

31. Курдюмова В.М., Тентиев Ж.Т. Особенности структурных изменений композитов на основе отходов растительного сырья. Сб. научн. тр. Сейсмостойкие здания с применением композитных материалов. - Бишкек. Илим. 1995. С. 26-29.

32. Курдюмова В.М. Свойства композитных материалов для облегченных строительных конструкций. Сб. научн. тр. Сейсмостойкие здания с применением композитных материалов. - Бишкек. Илим. 1995. С. 19-26.

33. Мартынов К.Я., Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Стойкость плит из отходов табака и хлопчатника при ускоренных и натурных испытаниях. - Сб. научн. тр. Эффективные материалы и конструкции для сельского строительства. - Новосибирск. НГАС. 1995. С. 64-67.

34. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Модификация композиционных плит из отходов растительного сырья. Сб. научн. тр. Сейсмостойкие здания с применением композитных материалов. - Бишкек. Илим. 1995. С. 48-51.

35. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В. Исследования упруго-гшастических свойств композиционного материала для конструкций малогабаритных зданий. Сб. научн. тр. Сейсмостойкие здания с применением композитных материалов. - Бишкек. Илим. 1995. с. 11-19.

36. Курдюмова В. М., Ильченко Л. В. Теоретические основы расчета структурного формирования композиционных плит из растительного сырья. Ж-л. Наука и новые технологии. - Бишкек ГКННТ. 1996. № 2. С. 103-107.

37. Курдюмова В.М., Ильченко Л.В., Хрулев В.М., Мартынов К.51. Структура и механические свойства конструкционных плит из отходов переработки сельскохозяйственных растений. Сб. научн. тр. Современные строительные конструкции из металла и древесины. ОГАСА. Одесса, 1997. С. 44-49.

Тираж 100 экз. Объем 2 п. л. Типография ИППКК

Курдюмова Валентина Мефодьевна

"9амд1к шишаттарынын калдыгы негЫнде курылыс плиталарынык калыптасуындагы курылымдык пайда бопу процесстершщ ттмдттн арттыру"

Техника гылымдарынын докторы гылыми атагын алуга арналган диссертация. "Курылыс материалдары жэне буйымдары" 05.23.05.

РЕЗЮМЕ

Курыпымдык уйлеамдшжке байланысты алдын-ала бершген касиеттер мен езЫдк жане ерекшел! технология аркылы жака композициялык материал алу ушпн кеч турде, жинакты, ¡ргел! жэне колданбалы зерттеу жумыстары журпзтд'|.

бамдк шиюзатынан алынган курдел1 композициянын непзжде плиталардык курылымдык пайда болуын гылыми турде непздеуде тунгыш рет жана тасш колданды. Бурын колданбаган, курдел! полидисперсп жуйежц анизотропты белшектержщ б1рлескен, езара кимылынын механизм! ашылды, гылыми турде курылымдардын полимерпк байпанысынык капыптасуы топтыргыштын курыпымдык;-механикалык белшектердщ касиеше ткепей багынышты зандылык екендИ аныктапды. Материалдардык бержтт мен узакка шыдамдылыгы курылымдык пайда болудык факторлары мен композиттердщ физико-химиялык механикасынын калыптаскан жагдайына пкелей байланысты екендт шешшди

©ндрюке тунгыш рет ауылшаруашылык еагздктердИ сабагын курылыс плиталарына пайдаланудык технологиялык тэсЫ усынылды жэне 6ул технологиялык процесстерд!н «¡урылымы плиталардык шийзат композициясынын курамына байланысты екендюнщ тшмд1 математикалык модел1 жасалды.

Valentina M. Kurdumova

The Incresing of effectiveness structureforming process in the time of forming building panels based on plant raw materials wastes

The complex of fundamental and applied research work on optimization of a structure of attributes and features of technology of making a new compositional material from properties that where set beforehand, was carried out. For the first time was developed a new approach to creation of research basis of structure of forming of plates on the basis of complicated raw material composition from vegetable raw materials. Was founded a mechanism that was not used earlier. Which is mechanism of mutual interaction of anisotropic interaction of particles suspended in a complex system, and were scientifically proved regularities of structure formation on the polymer linking units depending on structural-mechanical features of a particles of filler. Were resolved issues on durability and lasting of materials depending on their structure forming factors and modern thesises of physical-and-chemical mechanics of composites. For the first was proposed industrially workable version of technology for processing of stems of agricultural plants for use in construction panels, and was developed a mathematical model for determining an optimal sphere for construction of technological processes for panels depending on raw material composition.

RESUME