CC BY
47
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПЛИТ ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ И ПОЛИМЕРГИПСА
Н.С. ПРОКОФЬЕВ, д. т. н., профессор кафедры процессов и аппаратов МГУЛа
Работоспособность древесных плит, используемых для обшивки ограждающих конструкций стандартных деревянных домов, определяется не только прочностными характеристиками полученными при кратковременных статических нагрузках. Для материалов на основе полимерных связующих, работающих при статических нагрузках, важными показателями являются длительная прочность и долговечность. В условиях длительного статического нагружения все полимеры, особенно термопласты, обладают ярко выраженной ползучестью. Поэтому древесные плиты на основе полиолефинов имеют невысокие значения длительной прочности и долговечности, особенно при повышенной температуре.
Оценка и прогноз работоспособности полимерных материалов, работающих при многократных и переменных нагрузках, значительно отличаются от способов, применяемых для кратковременных или длительных статических нагрузок. Специфична характеристика усталостной работоспособности. Вместо статической долговечности (времени до разрушения) усталостная работоспособность характеризуется числом и частотой циклов нагружения (выносливостью). Простая связь статической долговечности с выносливостью как отношение числа циклов на частоту циклов нагружения не реализуется. Это объясняется влиянием релаксационных процессов и разогревом вследствие механических потерь и гистерезиса, особенно опасного из-за низкой теплопроводности и высокой чувствительности прочности и жесткости полимерных материалов к повышению температуры.
Элементы деревянных домов с применением древесноплитных материалов эксплуатируются при температуре окру-
жающего воздуха от -60 до +70 °С и относительной влажности воздуха от 40 до 100 %. Работоспособность конструкций должна обеспечиваться от снеговых и ветровых нагрузок, собственного веса, также от случайных сосредоточенных нагрузок и воздействий.
Технические требования на разработку и освоение древесноплитных материалов для деревянного домостроения регламентируют показатели длительной прочности и деформативности. Так, для плит на синтетических связующих, коэффициент длительного сопротивления статическим нагрузкам должен быть не менее 0,3, а остаточная прочность при изгибе после 20 циклов нагружения не менее 60 % от первоначальной, измеренной в условиях кратковременного нагружения [1]. В этой связи важно изучить временную зависимость прочности и деформирования новых плитных материалов на основе древесины и по-лимергипса. Полученные экспериментальные данные и их систематизация позволят разработать на современном уровне справочно-информационную систему для широкого использования плит на основе по-лимергипса в стандартном деревянном домостроении [5, 7].
Разрушение композита, армированного продолговатыми частицами, при фиксированных нагрузках и температурах может произойти как результат комбинации двух факторов: статистической прочности «хрупких» частиц и временных свойств вязкоупругой матрицы. В работе [2] экспериментально установлено, что прочность древесной стружки при растяжении вдоль волокон зависит от ее длины и обусловлена распределением дефектов. Поэтому разрушение древесных частиц можно рассматривать в статистическом смысле. В случае, когда элементы армирования име-
ют достаточную длину, прочность композита реализуется посредством передачи нагрузки от одной частицы к другой сдвигом матрицы [9]. Если материал матрицы вязкоупругий, сдвиговое напряжение вдоль границы раздела частица - матрица релак-сирует. В результате увеличивается длина «неработающих» участков частиц, что приводит к уменьшению прочности композита, так как вероятность попадания случайных разрывов в больший объем возрастает [3].
При циклических нагрузках возникает эффект саморазогрева, который после достижения критического прироста температуры приводит к размягчению материала, Это явление, специфическое для полимеров при их многократной нагрузке, приводит к выходу из строя изделий вследствие критической ползучести, т е. потери формы, а не потери прочности. Такой вид усталостного разрушения был назван тепловым [10].
Полиолефины (полиэтилен, полипропилен), используемые в качестве полимерного связующего в производстве плит из древесных частиц и полимергипса, плохо сопротивляются длительному воздействию нагрузок и имеют низкую теплостойкость [4]. В этой связи возникает проблема повышения длительной прочности и теплостойкости полиолефинов. Ее решение позволит заменить в производстве древесных плит токсичные карбамидоформальде-гидные и фенолоформальдегидные смолы на нетоксичные полиолефины. Для этого необходимо выявить главные факторы, влияющие на длительную прочность и долговечность композита из древесных частиц и вязкоупругого полимера, а также разработать метод модификации полиолефинов с целью повышения их жесткости и теплостойкости.
Композиты из продолговатых частиц и термопластичной полимерной матрицы с высокой скоростью ползучести и большой начальной податливостью имеют невысокую длительную прочность. Можно предположить, что деформирование таких
материалов в условиях длительного нагружения определяется только ползучестью полимерной матрицы [3]. В этом случае предельные деформации при разрушении композиционного материала должны составлять десятки процентов. Однако данное допущение не учитывает влияния границы раздела между древесными частицами и полимером, которая может изменить кажущиеся свойства матрицы. Поэтому оно нуждается в экспериментальном уточнении.
Образцы плит для экспериментальных исследований изготовлялись методом «горячехолодного» прессования. Смесь древесной стружки фракции 10/0 (50 %), порошка фосфогипса (30 %), и измельченного вторичного полиэтилена (20 %) загружалась в пресс-форму и нагревалась до температуры 190 °С под давлением 4,0 МПа в течение 420 с, после чего пресс-форма охлаждалась до температуры окружающей среды и производилась выгрузка готового изделия. Смешение компонентов производилось дискретным способом в следующей последовательности. Вначале в смеситель загружалась древесная стружка и к ней добавлялся раствор технических лигносульфонатов. После перемешивания в течение 10 минут в смеситель загружались фосфогипс и полиэтилен. Полученная смесь вновь перемешивалась в смесителе и затем выгружалась в пресс-форму. Лигно-сульфонаты в древесную стружку вводились в небольшом количестве (0,5-1,0 %) для фиксации на ее поверхности частиц фосфогипса и полиэтилена. Этим достигалось равномерное распределение в объеме смеси порошкообразных компонентов. В общей сложности было изготовлено 60 образцов размером 250 х 250 х 10 мм. Из них половина использовалась для исследования прочности на изгиб при кратковременных воздействиях статических нагрузок, а другая при длительных. Размеры образцов при испытаниях соответствовали ГОСТ 10632-89. Все испытания проводились при комнатной температуре, которая изменялась в
диапазоне от 18 до 22 °С. Число параллельных опытов равнялось 15.
Длительные испытания плит на изгиб проводились на рычажных установках. Уровни нагрузки составляли 0,3, 0,5, 0,7 и 0,9 от разрушающей нагрузки Рк, определяемой при кратковременных испытаниях контрольных плит. В процессе длительных испытаний через определенные интервалы времени измерялся прогиб плиты под воздействием постоянной нагрузки. Так как предельные деформации на растяжение в несколько раз меньше предельных деформа-
ции сжатия, то можно предположить, что разрушение древесноминеральных плит при изгибе происходит от разрыва растянугых стружек. Поэтому по измеренному прогибу плиты рассчитывалась деформация растяжения
(|)
где/- прогиб плиты, м; И - толщина плиты, м; I - расстояние между опорами.
Результаты кратковременных испытаний древесноминеральных плит приведены в таблице.
Таблица
Физико-механические свойства плит из древесных частиц и полимергипса
Свойства Статистические показатели
Я. ± о V, % р.%
Толщина, мм 12 - - -
Плотность, кг/м3 1035 - _ -
Влажность, % 4.0 - _ -
Прочность на изгиб при кратковременном нагружении, МПа 18.46 2,22 12,01 3,10
Статистический модуль упругости, МПа 2940.7 322,43 10,96 3,17
Анализ данных таблицы показывает, что исследуемые плиты по кратковременной прочности на статический изгиб отвечают требованиям и могут рекомендоваться для применения в качестве облицовок и обшивок внутренних стен, перегородок, потолков, для изготовления встроенных шкафов и антресолей в помещениях с нормальными температу-ро-влажностными условиями.
Результаты исследования деформирования плит в условиях длительного воздействия изгибающих нагрузок представлены на рис. 1. Как видно, время жизни плит при изгибающих нагрузках 0,9 РЕ несколько часов. Несколько больше оно при нагрузках 0,7 Рк . При этом предельные деформации растяжения внешнего слоя плиты изменяются в диапазоне от 1 до 1,2 %. При снижении нагрузки до 0,5 Рн время жизни плиты возрастает до 1176 часов, а деформация при разрушении образца практически не изменяется. На кривых (3) и
(4) ярко выражены два участка: участок упругой деформации и установившейся ползучести. Третий участок - интенсивного развития деформации отсутствует.
Результаты длительных испытаний древесноминеральных плит изгибающими нагрузками позволяют прогнозировать их предельное деформированное состояние в процессе эксплуатации. Так, в работе [6] показана возможность прогнозирования работоспособности термопластов по кривым ползучести на начальных участках деформирования. В основу такого метода прогнозирования положен принцип температурно-временной и силовременной суперпозиции. Для этого кривые е = /(Р,/) рекомендуется аппроксимировать двух или трехпараметрическими степенными функциями. Возможность экстраполяции таких функций, полученных при длительных испытаниях, на большее время доказана экспериментально на примере деформирования образцов полиэтилена низкого давления.
Рис. 1. Временная зависимость деформации плит из древесных частиц и полимергипса при различных уровнях изгибающей нагрузки: I - 0,9 Р„ \ 2- 0,7 Рх; 3 - 0,5 Рх\4- 0,3 Ря
а
час
-►
О 500 1000 1500 10500 11000
Рис. 2. Длительная прочность на изгиб из древесных частиц и полимергипса
Исследования показали, что предельные деформации растяжения при изгибе древесноминеральных плит примерно в 1,5 раза выше, чем у обычных древесностружечных плит на карбамидных смолах. Вместе с тем различие в деформативности чистой отвержденной карбамидной смолы и полиэтилена на два порядка больше. Это указывает на то, что кратковременная прочность плит на изгиб в большей степени определяется видом наполнителя, тогда как длительная прочность зависит от скорости ползучести полимерной матрицы под действием сдвиговых напряжений, которые возникают вблизи границы раздела частица - матрица. Уменьшить текучесть полиэтилена и, следовательно, увеличить длительную прочность композитов на его основе можно путем «сшивки» макромолекул полимера [3, 8].
Таким образом, экспериментально установлено, что в условиях длительного нагружения древесноминеральные плиты на основе полимергипса обладают ярко выраженной ползучестью. Полная деформация растяжения при изгибе плиты к моменту времени наблюдения определяется суммой условно-мгновенной деформации растяжения, возникающей после приложения нагрузки, и деформации ползучести. Величина последней зависит главным образом от вязкоупругих свойств полимерного связующего.
На рис. 2 дана зависимость отношения приложенного напряжения с к напряжению упругого разрушения а-среднему значению прочности, полученному при стандартных кратковременных испытаний плит из древесных частиц и полимергипса на статический изгиб. Как видно наиболее резкое снижение прочности плит на изгиб наблюдается при продолжительности действия нагрузки в первые тридцать суток. На этом временном отрезке прочность плит снижается почти на 38 %. В дальнейшем она изменяется в меньшей степени. Обработка экспериментальных данных позволила
установить следующую корреляционную зависимость между долговечностью древесноминеральных плит t и величиной приложенного напряжения а :
5 = Ю2 - 0,21 fgt, (2)
а
где ~z = K - коэффициент длительной а
прочности; а - напряжение, которое может действовать в течение t суток, МПа; о - средняя прочность, полученная при кратковременных испытаниях плит на изгиб, МПа; t - долговечность (время до разрушения образца плиты под действием напряжения су), сутки.
Полученная зависимость позволяет прогнозировать длительную прочность плит из древесных частиц и полимергипса. Так, например, на заданный период эксплуатации стандартных домов в 10 лет коэффициент длительной прочности древесноминеральных плит на основе полимергипса равен 0,058. При более высоких температурах эксплуатации можно ожидать, что он будет еще меньше.
Повысить длительную прочность плит можно путем подбора размеров древесных стружек, увеличения их объемной доли, уменьшения податливости связующего (термопластичных полиолефинов) и увеличении его жесткости. Изменить в нужном направлении свойства полиолефинов возможно путем их модификации. Увеличить жесткость термопластичных полимеров возможно тремя способами модификации: химическим, физическим и физико-химическим. Все они основаны на «сшивки» линейных макромолекул полимера, в результате чего образуется новая трехмерная топологическая структура. Для химической «сшивки» в полимер вводятся инициаторы (пероксиды), вулканизаторы (хлористый сульфурил и др.). Физические способы модификации термопластов основаны на воздействии на полимер пучков ионов (0\ Не", Н', электрон), ультрафиолетового и у - излуче-
ния, а также ультразвука. Физико-химиче-кие способы являются сочетанием первых
двух.
Разработка соответствующих режимов модификации позволит не только повысить длительную прочность плит на основе полиолефинов, но и прессовать их без дополнительной стадии «охлаждение».
Заключение
По результатам кратковременных испытаний на статический изгиб плиты из древесных частиц и полимергипса пригодны для использования в качестве обшивки ограждающих конструкций деревянных домов. Вместе с тем в условиях длительного воздействия изгибающей нагрузки такие плиты обладают ярко выраженной ползучестью, величина которой зависит главным образом от вязкоупругих свойств полимерного связующего (полиолефинов). Коэффициент длительной прочности на изгиб для исследованных плит при долговечности в 10 лет не превышает 0,06. Для увеличения длительной прочности и долговечности плит на основе полимергипса необходимо модифицировать термопластичные полио-лефины с целью снижения их податливости. Разработка метода модификации полиолефинов - предмет дальнейших исследований.
Литература
1. Исходные требования на разработку и освоение древесноплитных материалов для деревянного домостроения. - Балабаново: НПО «Научстан-дартдом», 1992. - С. 6.
2. В.А.Баженов. С.Г.Болотов. Прочность древесных частиц и влияние на нее различных факторов // Научные тр. - М.: МЛТИ. - 1984. - Вып. 159. -С. 109-112.
3. Прокофьев Н.С., Прокофьев Д.Н. Длительная прочность древесных плит на термопластичном связующем. Тезисы докладов на Международной научно-технической конференции «Композиционные материалы на основе древесины, их технология, структура, свойства и конструкции из них». - М.: МГУЛ. 1997. - С. 19-20.
4. Поляков В.К, Анисочкина Е.Н. Кривые долговечности в области хрупкого разрушения // Пластические массы. - 1998. - № 7. - С. 14.
5. Зеленев Ю.В., Кулишова А.В.. Шеворошкин С. А. и др. О прогнозировании механических свойств полимерных материалов // Пластические массы.
- 1997. -№ 9. - С. 22-26.
6. Мелентьев П.В.. Пашков А Н., Данилевский Ю.М. и др. Прогнозирование деформационных свойств полимерных материалов при их кратковременном нагружении // Пластические массы.
- 1998. -№1.- С. 16-22.
7. Леонович А.А. Основные направления исследований и разработок по совершенствованию технологии древесностружечных плит // Деревообрабатывающая промышленность. - 1999. - № 5.
8. Прокофьев Д.Н. Деформирование древесноминеральных плит при изгибе в условиях длительного нагружения // Научные тр. - М.: МЛТИ. -1999. - Вып. 297. - С 89-91.
9. Браутман Л. Разрушение и усталость. - М: Мир.
- 1978. - 483 с. ’
10. Бугло С.Б. Усталостная прочность и выносливость пластмасс // Пластические массы - 1999 -№ 2. - С. 47-48.
ВНИМАНИЮ ДЕЛОВЫХ ЛЮДЕЙ!
Продолжает свою работу журнал «Деревообработка в России». Мы предлагаем Вам поместить в нашем журнале статью на интересующую Вас тему (станки, инструменты, оборудование, технологии и др.). Размещение статьи в журнале бесплатно.
Рядом со статьей или внутри текста помещается Ваш блок рекламы, оплачиваемый: 1 страница - 1200 руб.; 1/2 - 700 руб.; 1/3 - 500 руб.; 1/4 - 400 руб.
Стоимость рекламы, размещаемой на обложке, рассматривается в каждом конкретном случае. Предоставляются скидки. Ждем Ваших предложений по адресу:
141005. Мытищи М.О., пос. Строитель, ул. 1-я Институтская, д. 1. Издательство МГУЛ. Тел. (095) 588-53-48. факс (095) 583-73-42 (с пометкой: Издательство, журнал «Деревообработка в России»)
