CC BY
37
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Борнилацетат Борнеол а. Пинен
Образец
пихтового
масла,
полученного
при
температуре 120 С
Пихтовое
масло
производства
ЗАО "Эвалар"
Рис. 4. Сравнительный анализ эфирных масел методом тонкослойной хроматографии
Как видно из рис. 4, флуоресцирующие пятна на полученном образце выглядят более насыщенными, чем на покупном эфирном масле, что говорит о более высоком содержании соответствующих компонентов в его составе, а следовательно, и о более высокой биологической ценности продукта. Плотность эфирного масла, определенная с помощью пикнометра, составила 0,914 г/см3. Проведенные анализы свидетельствуют о полном соответствии полученного продукта требованиям ОСТ 13-221-86.
На основании изложенных результатов исследований была разработана пилотная установка для комплексной пере-
работки древесной зелени непрерывного типа [1], в которой предполагается исследование влияния гидродинамических условий на процесс извлечения эфирных масел, зависимости объема извлеченного эфирного масла от срока хранения сырья, а также влияния термического изменения наноструктуры материала на динамику процесса извлечения.
Библиографический список
1. Сафин, Р.Р. Установка для переработки отходов древесных производств / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, А.Е. Воронин и др. // Вопросы современной науки и практики / Университет им. В.И. Вернадского - Тамбов: ТГТУ, 2009. - С. 82-86.
ИЗМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУРЫ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ
в плазме вч-разряда пониженного давления
Р.Р. ХАСАНШИН, доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, канд. техн. наук,
Е.Ю. РАЗУМОВ, доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, канд. техн. наук,
Р.Р. САФИН, проф. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, д-р техн. наук
Ежегодный объем рубки мягколиственных пород древесины на территории Российской Федерации составляет менее 15 % от расчетной лесосеки, определяющей научнообоснованный и утвержденный приказом Рослесхоза объем. Недоиспользование рас-
[email protected]; [email protected] четной лесосеки по лиственным породам ведет к накоплению перестойных насаждений, снижает качественные показатели лесного фонда, ухудшает санитарное состояние и повышает пожарную опасность в лесах. Причем с каждым годом наблюдается тенденция
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2010
91
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
снижения фактического использования расчетной лесосеки на 1,5—2,0 %, что, в конечном счете, может привести к окончательному старению леса и невозможности его промышленного использования. Невысокий спрос на мягколиственные породы древесины вызван низкосортностью по сравнению с хвойными породами, поэтому их промышленное использование возможно только при глубокой переработке, в частности при производстве композиционных материалов.
В то же время Российская Федерация, лидируя в мире по лесным ресурсам, катастрофически отстает по производству конкурентных товаров на основе продуктов леса. Технологическая отсталость лесной промышленности России от мирового уровня может принять необратимый характер в связи с тем, что развитые страны, даже с ограниченными лесными ресурсами, например Япония, приступили к разработке и использованию нанотехнологий и наноматериалов в производстве товаров с повышенными и новыми потребительскими свойствами на основе продуктов леса. Поэтому в России остро встал вопрос о развитии нанотехнологий в лесной отрасли [1].
В рамках этой проблемы в КГТУ начата работа, направленная на создание новых технологий по изменению наноструктуры древесины с целью ее дальнейшего использования при создании новых композиционных материалов с повышенными физико-химическими свойствами. В частности, на кафедре архитектуры и дизайна изделий из древесины успешно проводятся исследования по термическому модифицированию, а также обработке древесины высокочастотной низкотемпературной плазмой [2].
Для обработки древесины ВЧ-плазмой была использована высокочастотная плазменная установка с частотой генерации 13,56 МГ ц, мощностью разряда от 07 до 3,2 кВт, показателем динамического вакуума в камере от 13 до 130 Па, скоростью расхода плазмообразующего газа до 0,3 г/с, скоростью откачки воздуха из вакуумной камеры - 5-50 дм3/с. В качестве плазмообразующего газа были использованы аргон, пропан, воздух. Схема установки представлена на рис. 1. Установка включает следующие стандартные блоки: высокочастотный
генератор 1, вакуумная камера 2, в которой размещены высокочастотные электроды 3, система механической откачки 4, система подачи плазмообразующего газа 5 и 6, система электроснабжения 7, система водяного охлаждения 8-13 и диагностическое оборудование 14-23. Высокочастотный генератор 1 собран по одноконтурной схеме. Техническая характеристика генератора: потребляемая мощность до 10 кВт, частота 13,56 ±10 %, тип нагрузки - емкостной. Высоковольтный выпрямитель установки собран по трехфазной двухполупе-риодной схеме с управлением на первичной стороне трансформатора и снабжен приборами контроля, сигнализации, регулирования и защиты. Колебательная мощность генератора составляет до 6,5 кВт.
Обработка изделий при пониженных давлениях накладывает определенные условия на оборудование, в частности на материал вакуумного блока и подколпачной арматуры. Они должны обладать высокой вакуумной плотностью, низким газосодержанием, легким обезгаживанием, хорошими свариваемостью с образованием вакуумно-плотного соединения и обрабатываемостью.
Основание вакуумного блока смонтировано в виде сварного каркаса из нержавеющей стали, на верхней плоскости которого крепится плита. На ней размещен вакуумный колпак и два параллельных медных электрода размером 250 х 300 мм (изолированный и заземленный). Расстояние между электродами 3 регулировали в диапазоне от 20 до 50 мм. Внутри каркаса блока размещены подъемник колпака с электроприводом, блок электропитания, система водяного охлаждения узлов установки. В колпаке предусмотрены окна для оптической диагностики.
Механическая система откачки 4 поддерживает необходимое рабочее давление в вакуумной камере. Давление в камере измеряется вакуумметром с преобразователем типа диодного механотрона 6 МДХ4С, предназначенным для измерения давления в диапазоне 1,33-1333,20 Па. Диапазон измерительного прибора 0-200 мкА. Класс точности прибора 1,0. Система откачки состоит из двухроторного насоса типа АВР-50 со скоростью откачки воздуха 50 л/с.
92
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Система питания установки рабочим газом состоит из баллона со сжатым газом (до 150 атм., 4 м3), редуктора для понижения давления ДКП-1-65 (точность измерения 1 кгс/см2), образцового манометра (точность измерения 6 кгс/см2) и ротаметра типа РМ-3/43 чувствительностью 0,0063 г/с для определения расхода газа и игольчатого натекателя для регулирования расхода, устройства для получения смеси газов и устройства для импульсной подачи газа. Стабильность газа обеспечивается использованием буферной емкости.
Система охлаждения 8-13 установки служит для обеспечения заданного теплового режима ее узлов и деталей. Охлаждение проточное содержит манометр для контроля давления в системе водоснабжения чувстви-
тельностью 1 г/с, имеются блокировки на случай резкого отключения воды. Вода поступает через системы контроля температуры и расхода жидкости на охлаждение наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов: генераторной лампы и высокочастотных электродов. Подвод воды к установке и отвод воды из нее осуществляется при помощи резиновых шлангов.
В процессе экспериментальных исследований образцы помещались в вакуумном блоке установки между электродами вдоль потока плазмы. Производилась предварительная откачка воздуха из вакуумной камеры, затем подавался рабочий газ. Регулировкой вентиля, соединяющего вакуумную камеру с вакуумным агрегатом, устанавливалось за-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
93
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
данное давление. При подаче на электроды высокочастотного напряжения в разрядной камере за счет нагрева плазмообразующего газа до состояния плазмы образуется плазменный поток. Режим плазменной обработки регулировался путем изменения расхода газа, мощности ВЧ-разряда, давления в разрядной камере и продолжительности обработки.
В древесине при помещении ее в плазму ВЧ-разряда пониженного давления происходят следующие физико-химические эффекты: у поверхности образца образуются плазменные слои положительного заряда, в результате чего к материалу оказывается приложенной разность потенциалов до 80 В при амплитуде напряженности электрического поля (2,5-6,5)-104 В/м. Этого достаточно для инициации и поддержания несамостоятельного ВЧ-разряда в капиллярах и порах, так называемого эффекта объемной модификации. Модификация материала происходит за счет кинетического воздействия ионов плазмы на поверхность с энергией 30-100 эВ и модификации поровых пространств за счет рекомбинации ионов плазмообразующего газа при горении несамостоятельных ВЧ-раз-рядов; энергия данного воздействия составляет 12,4-25,2 эВ и зависит от применяемого плазмообразующего газа.
Для проведения экспериментов были взяты образцы отходов древесины лиственных и хвойных пород. Продолжительность обработки составляла 5-20 минут. После обработки образцы выдерживались в комнатных условиях в течение 4 часов для выравнивания их влажности.
Эффект плазменного воздействия на древесину проверяли при сравнении образцов, обработанных в потоке плазмы ВЧ-разряда, с контрольными. Установлено, что после плазменной обработки в зависимости от вида плазмы изменяются сорбционные свойства материалов. При обработке частиц древесины ВЧ-плазмой смеси аргона и пропана повышается гидрофобность их поверхности - из-за создания дополнительных функциональных групп на поверхности древесных волокон и замещения ОН-групп в молекулах целлюлозы, что уменьшает сродство целлюлозы к воде. При дальнейшей обработке час-
тиц древесины олигомерами (например стиролом) с последующей их полимеризацией возможно также заполнение пор древесинного вещества, что дополнительно существенно повышает влагостойкость древесины. При обработке частиц древесины ВЧ-плазмой воздуха напротив - возрастает гидрофильность их поверхности из-за расширения и упорядочения пор в древесине, вследствие чего пары воды активней проникают внутрь материала. Данный процесс позволяет повысить адгезионные свойства древесины, что ценно в производстве древесных композитов [3].
Подобное изменение свойств материала связано с изменениями его внутренней микроструктуры под действием ВЧ-плазмен-ной модификации. Происходит изменение плотности укладки коллагеновых фибрилл, первичных и вторичных волокон, как следствие, изменяется пористость материала.
Было исследовано взаимодействие древесины с портландцементом, для чего были изготовлены образцы композита, подвергшиеся впоследствии исследованию на механическую прочность при сжатии. Установлено повышение прочностных характеристик древесных композитов, созданных на основе модифицированной в ВЧ-плазме воздуха древесины, в среднем на 23 %. Подобное явление может объясняться увеличением поверхности контакта между портландцементом и древесными волокнами, получившими «разволокнение» в результате ВЧ-плазменной обработки, о чем свидетельствуют электронно-микроскопические исследования образцов древесины: наблюдается расщепление отдельных волокнистых элементов и получение развитой пористой структуры [3, 4].
Проведены исследования древесных частиц до и после высокочастотной плазменной обработки на рентгеновском дифрактометре (рис. 2). Установлено, что изменения в древесных частицах происходят на наноуровне. В зависимости от мощности и способа обработки наблюдается изменение межплоскостного расстояния в семействе плоскостей, значительное увеличение интенсивности пика и площади пика, что указывает на увеличение степени кристалличности образцов, т.е. доли кристаллитов в древесине.
94
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
