Применение древесных композитов в машиностроении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 11 / 2018.

УДК 62-1/-9

А.Е. Денисов

студент 3 курса МФ МГТУ им. Н.Э.Баумана

г. Мытищи E-mail: [email protected] В.О. Чистяков студент 3 курса МФ МГТУ им. Н.Э.Баумана

г. Мытищи E-mail: [email protected]

ПРИМЕНЕНИЕ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИТОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Аннотация

В статье рассмотрен вопрос о замещении материалов, присущих нынешнему машиностроению, более дешёвыми и не уступающими по прочностным и деформационным характеристикам. В качестве альтернативы взят древесный композит - наноцеллюлоза. Изучена структура полимера, проведено сравнение с характеристиками часто используемых материалов, выявлен перечень достоинств и недостатков, а также проанализирована рациональность применения в машиностроении, опираясь на ценовые показатели.

Ключевые слова:

Наноцеллюлоза, машиностроение, композит; вкладыш подшипника.

A.E. Denisov

3rd year student of MF MSTU. N.E. Bauman

Mytischi

E-mail: [email protected] V.O. Chistyakov 3rd year student of MF MSTU. N.E. Bauman

Mytischi

E-mail: [email protected] APPLICATION OF WOOD COMPOSITES IN MECHANICAL ENGINEERING

Annotation

The article addresses the issue of replacing materials inherent in the current engineering industry, cheaper and not inferior in strength and deformation characteristics. As an alternative, wood composite is taken -nanocellulose. The structure of the polymer has been studied, compared with the characteristics, including the analyzed rational use in mechanical engineering, based on price indicators.

Keywords:

nanocellulose, engineering, composite, bearing shell.

В настоящее время множество конструкций, используемых в машиностроении, изготавливаются из различных металлических сплавов, однако некоторые детали можно замещать более дешёвыми, но не уступающими по характеристикам. Такими могут быть композиционные материалы на основе древесины. Хорошим примером использования таковых стал мост в городе Снек в провинции Фрисландия на севере Нидерландов. В этом сложном проекте была использована технология ацетилирования, благодаря чему, древесина приобретает повышенную прочность и долговечность. Материал, применяемый при строительстве, соответствует требованиям европейских стандартов по прочности, водопоглощению, разбуханию, биостойкости и не коррозирует металлы.

-( » )-

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X

№ 11 / 2018.

В машиностроении с амплуа износостойкого и прочного материала прекрасно справится такой полимер как наноцеллюлоза. Известно, что одним из наиболее распространённых биологических полимеров на планете является целлюлоза. Источник сырья для её получения - древесина, которая, на практике, является сетью из целлюлозных волокон, скреплённых матрицами лигнина - другого природного полимера, который легко разлагается и удаляется. Сам процесс производства целлюлозы заключается в том, чтобы «смыть» лигнин и оставить в воде суспензию целлюлозных волокон. Типичный слой древесной целлюлозы составляет десятки микрон в ширину и около миллиметра в длину. Она находится в клетках растений и бактерий. Состоящие из длинных цепочек молекул глюкозы, волокна целлюлозы расположены «запутанной» сетью, что обеспечивает структуру и поддержку растительным клеткам. Но перечень всех этих достоинств омрачает один существенный недостаток - чрезмерно абсорбирует воду. Самое простое решение — не использовать композит там, где он будет контактировать с водой, однако, если воздействия воды не избежать, то исправить данную проблему можно заключением наноцеллюлозы в гидрофобный материал.

Целлюлоза в сухой древесине представляет собой пух и пыль с механическими свойствами, напоминающими мокрое бумажное полотенце. Вы можете усомниться в её свойствах, сказав, что из древесной целлюлозы изготавливается бумага, которая спокойно поддается деформации. Но если произвести процесс нанополимеризации, разрушив волокна целлюлозы до нанофибрилл, то можно получить трёхмерную сетку не разветвлённых длинных нитей молекул целлюлозы, удерживаемых водородными связями (см. рис. 1). Водородные связи между молекулами целлюлозы являются достаточно сильными, чтобы придать прочность и жёсткость нанокристаллам целлюлозы.

Дерево

Поперечный разрез

Годичный слой древесины

Ячеистая структура

см

Структура клеточной стенки

Структура матрицы фибриллы

Вторичная стенка (внутренний слой)

Вторичная стенка (средний слой)

Вторичная стенка (наружный слой)

Первичная стенка

Межклеточное вещество

Структура фибриллы

Микрофибрилла

Простейшие фибриллы

Аморфные Кристаллические

Целлюлоза

, г%

1 нм ¡v

г

Рисунок 1 - Разрушение волокон целлюлозы до нанофибрилл

На наш взгляд, наноцеллюлоза имеет неплохие перспективы в области машиностроения. Предполагается, что этот древесный полимер, обладающий высокой прочностью и лёгкостью, увеличит срок службы узлов и агрегатов автомобиля, а также снизит вес его конструкций.

В качестве примера рассмотрим подшипник. Его составляющей будет являться вкладыш из наноцеллюлозы (превосходит по механическим свойствам традиционные материалы - медь и латунь) (см. табл. 1), обращённый торцом к рабочей поверхности и скреплённый с ней термопластичным полимером: полипропилен, полиформальдегида, полиизобутилен. Вкладыши планируется изготавливать из материалов деревоперерабатывающих производств, следовательно, стоимость подшипника снизится, и увеличится

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 11 / 2018.

долговечность. Стоит отметить что, за счёт простоты конструкции и автоматизации производства, непременно повысится производительность труда.

Таблица 1

Свойства материалов

Материал Модуль упругости, ГПа Прочность на разрыв, ГПа

Наноцеллюлоза 150 9,5

Кевлар 125 3,5

Сталь 200 0,5

Медь 100 0,4

Латунь 95 0,25

Дерево 10 0,1

Однако не всё с этим полимером так гладко. Помимо повышенных гидрофилирующих свойств, наноцеллюлоза ещё и из разряда очень затратных в производстве. Эта проблема решается применением биотехнологического способа, с помощью которого можно сэкономить на изготовлении модифицированной целлюлозы в 3,5 раза, а это в свою очередь окажется выгоднее использования в машиностроении таких привычных металлов как медь и латунь.

В перспективе производство можно будет кардинально изменить, внеся древесный композит и его модернизации в основу большинства конструкций. Но пока этого не произошло, человечество может пользоваться промежуточными достижениями учёных, рационально заменяя устаревшие технологии новыми, более перспективными.

Список использованной литературы:

1. СОЗДАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Клубничкин В.Е., Клубничкин Е.Е., Дорохин С.В., Макаров В.С., Зезюлин Д.В. Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2016. Т. 3. № 1. С. 17-20.

2. НАНОМАТЕРИАЛЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Макуев В.А., Найман В.С., Клубничкин Е.Е., Клубничкин В.Е. Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2014. Т. 18. № 4. С. 150-153.

3. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Макуев В.А., Клубничкин ЕЕ., Найман ВС., Клубничкин В.Е., Овсянников И.А. патент на полезную модель RUS 97169 01.03.2010

4. МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ФТОРСОПОЛИМЕРАМИ И ТЕЛОМЕРАМИ ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА Иванкин АН., Санаев В.Г., Горбачева Г.А., Агеев А.К., Кирюхин Д.П., Кичигина Г.А., Кущ П.П. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2018. № 2 (262). С. 122-132.

5. ПОВЕРХНОСТНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ РАСТВОРАМИ ТЕЛОМЕРОВ ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА Горбачева Г.А., Иванкин АН., Санаев В.Г., Агеев А.К., Кирюхин Д.П., Кичигина Г.А., Кущ П.П., Бадамшина Э.Р. Журнал прикладной химии. 2017. Т. 90. № 8. С. 1104-1110.

6. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СИСТЕМАХ ПОДРЕССОРИВАНИЯ КОЛЕСНЫХ МАШИН Староверов Н.Н., Котиев Г.О., Смирнов А.А. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. № 6. С. 1.

7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ И МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ РЕССОРЫ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОД НАГРУЗКОЙ Староверов Н.Н., Котиев Г.О., Даштиев И.З. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. № 7. С. 10.

© Денисов А.Е., Чистяков В.О., 2018