CC BY
62
УДК 674.8:624.011.15
Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 1-2. С. 106-110
ВЛИЯНИЕ ДРЕВЕСНОЙ ПЫЛИ НА КАЧЕСТВО КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Н. Г. Черкасова, В. В. Стрикун
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Представлено обоснование целесообразности применение древесной пыли в качестве органического наполнителя в композиционных строительных материалах. В настоящем исследовании изучаются процессы, происходящие в структуре композиционного материала, при введении в него шлифовальной древесной пыли в качестве наполнителя. Получены опытные образцы различных по составу композиционных материалов, при изучении которых наблюдалось изменение таких свойств, как плотность, предел прочности на изгиб, водопоглаще-ние. По результатам изучения характера изменений, определено влияние каждого компонента смеси. Составление и совершенствование рецептур является одним из наиболее актуальных направлений в производстве и применении строительных композитов. При этом важно учитывать реологические свойства получаемых композиций для достижения максимальной производительности, снижения энергозатрат и себестоимости продукции. Для решения данных задач технологи используют специальные приемы - подбор наполнителя с оптимальным размером частиц и использование специальных добавок. Композиционные строительные материалы на основе древесной пыли являются перспективным строительным материалом, активно завоевывающим рынок. Это связано с преимуществами использования данного материала в строительстве: экологичность и стойкость к атмосферным воздействиям, возможность утилизации отходов и легкость механической обработки. Причем, это еще и рациональное использование отходов лесопиления, мебельного и деревообрабатывающего производств, использования низкосортной древесины. Свойства композитов определяются, в основном, типом и характеристиками органического наполнителя. Это определяет подходы в оптимизации свойств композиций - подбор наполнителя с целью достижения приемлемых прочностных характеристик при максимальном наполнении. Известно, что введение наполнителей позволяет значительно удешевить композицию. При разработке рецептуры таких композитных строительных материалов характеристики природных наполнителей (природа, размер частиц, содержание влаги) имеют важное значение.
Ключевые слова: древесная пыль, композиционные материалы, смеси, древесные отходы, реологические свойства, древесные частицы.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 1-2, P. 106-110 INFLUENCE OF WOOD DUST ON QUALITY COMPOSITE CONSTRUCTION MATERIALS
N. G. Cherkasova, V. V. Strikun
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: [email protected]
In this article the ground of expediency is presented application of arboreal dust as an organic filler in composition building materials. Processes what be going on in the structure of composition material are studied in the real research, at introduction to him to the polishing arboreal dust as a filler. The pre-production models of different on composition composition materials are got, at the study of that there was a change of such properties, as closeness, tensile strength on a bend, absorption of water. On results the study of character of changes, influence of every component of mixture is certain. Drafting and perfection of compounding is one of the most actual directions in a production and application of building compos. It is thus important to take into account реологические properties of the got compositions for the achievement of burst performance, decline of energy consumptions and unit cost. For the decision of problem data technologists use the special receptions - selection offiller with the optimal size ofparticles and use of the special additions. Composition building materials on the basis of arboreal dust are perspective building material, actively conquering a market. It is related to advantages of the use of this material in building: ecofriendlyness and firmness to atmospheric influences, salvageability of wastes and lightness of tooling. Thus, this yet and rational utilization of wastes of лесопиления, furniture and woodworking productions, use of low-grade wood. Properties of compos are determined, mainly, by a type and descriptions of organic filler. It determines approaches in optimization ofproperties of compositions is a selection offiller with the purpose of achievement of acceptable прочно-
стных descriptions at the maximal filling. It is known that introduction offillers allows considerably to reduce in price composition. At development of compounding of such composite building materials of description of natural fillers (nature, size ofparticles, maintenance of moisture) have an important value.
Keywords: arboreal dust, composition materials, mixtures, woodwastes, реологические properties, arboreal particles.
ВВЕДЕНИЕ
Мировые объемы лесозаготовок достигли такого значения, что оно приблизилось к величине прироста древесины. Учитывая, что основные объемы лесозаготовок производятся в лесах, которые дают прирост не более 30 % от общего прироста, получается, что в этих лесах вырубается почти в 3 раза больше, чем прирастает древесины. Отсюда имеет место явное истощение лесов. В связи со сказанным, острой становится проблема максимального использования древесного сырья и, в первую очередь, отходов переработки.
При первичной обработке лесоматериалов применяются сучкорезные и раскряжевочные установки, при дополнительной обработке - оборудование для продольной распиловки лесоматериалов, включая лесопильные рамы, ленточно-пильные и круглопиль-ные станки, а также деревообрабатывающее оборудование, из токарных, шипорезных станков и др. При получении на указанном оборудовании основной продукции в виде сортиментов, пиломатериалов, шпал, тарной дощечки и т. д. образуется достаточно много отходов. Учитывая, что проблема рационального использования всей массы древесины становится весьма острой, актуальным является комплексная переработка древесного сырья, при этом одновременно решается серьезная проблема улучшения экологической ситуации, поскольку отходы в больших количествах скапливаются на производственных площадях. Из образующихся отходов чаще всего утилизируются и перерабатываются рейки, горбыли, кусковые отходы. Кроме того, после дополнительной обработки, например, дробления, из этих отходов получают щепу, используемую в целлюлозно-бумажной промышленности и производстве плит, не возникает проблем и с использованием стружки. В условиях крупномасштабного производства с высокой энергоемкостью переработке подвергаются так называемые «мягкие отходы» в виде опилок и древесной пыли. Отсюда актуальной представляется проблема разработки безотходной малозатратной технологии переработки измельченных древесных отходов.
Древесная пыль относиться к легким органическим наполнителям растительного происхождения. Являясь материалом местного сбора и изготовления, древесная пыль по применению является экономически выгодным отходом производства. Это обусловлено наличием достаточных объемов, как самой древесной пыли, так и древесных отходов лесопиления и деревообработки из которых, при внедрении дополнительно в процесс стадии их измельчения, возможно получение необходимого количества пыли, а также за счет того, что исключается существование экологических платежей за сверхлимитное размещение отходов. Ее дешевизна и очень высокие тиксотропные свойст-
ва идеальны для применения ее в качестве наполнителя для многих материалов.
Применение предлагаемого способа использования древесной пыли обеспечит экологический эффект, который заключается в высвобождении площадей, ранее используемых под ее складирование; исключении рассеивания пыли на прилагающие к предприятию территории, как промышленного, так и жилого назначения, при изменении скорости перемещения воздушных масс (при складировании отходов на открытых территориях).
Большое число исследований в этой области посвящено изучению возможности применения измельченных древесных отходов [1]. Особый раздел в данной области научных исследований занимает изучение реологических свойств древесно-волокнистых композитов, древесно-стружечных плит и других видов композитных материалов, в которых в качестве наполнителя используются древесная мука, пыль [2]. Например, чистые еловые опилки и стружка деревообрабатывающих цехов считаются лучшими сырьем для изготовления древесной муки, употребляемой в качестве наполнителя в производстве фенольных пластмасс, линолеума, взрывчатых веществ и пьезо-термопластиков. Наибольший интерес представляют исследования влияния основных характеристик компонентов композита (вид, влажность, размер частиц, процентное соотношение содержания компонента относительно всей композиции).
Целью исследований в данной работе является определение возможности получения новых строительных смесей и материалов, при использовании в качестве наполнителя древесной пыли (при этом определить наиболее приемлемый породный состав).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве основных компонентов экспериментальных композиционных материалов использовались: в качестве матрицы - портландцемент ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные»; зола-уноса, ГОСТ 25818-91 «Золы-уноса тепловых электростанций...»; в качестве наполнителя применялась древесная мука хвойных пород марки 180 (ГОСТ 16361-87), производитель ООО «КрасТайга» (ДМ), древесная пыль, собранная при шлифовании лицевой поверхности столярных березовых щитов столярного цеха ФГБОУ ВО «СибГТУ» (ПШсщ) и древесностружечных плит ГОСТ 10632-2007 в ЗАО «Красноярский деревообрабатывающий комбинат» (ПШдсп). Краткая характеристика компонентов смеси представлена в табл. 1.
Смешивание компонентов строительной смеси производилось на лабораторном экструдере марки ЛЭРМ-1, при комнатной температуре. Полученные образцы смеси были разложены в формы для создания опытных образцов, размером 0,04*0,04*0,1 м. Затвер-
девание растворов происходило в течение 28 суток при комнатной температуре, в соответствии с ГОСТ 313572007 «Смеси сухие строительные на цементном вяжущем». Полученные образцы строительных смесей были использованы для испытаний физико-механических свойств. Для определения предела прочности на изгиб использовали разрывную испытательную машину модели (РМИ) ГОСТ 28840 (точность измерения усилия 0,1 Н, скорость нагружения 50 мм/мин).
Определение водопоглащение образцов производилось по методике приведенной в ГОСТ 12730.3-78.
Для определения морфологических характеристик экспериментальных образцов композитных материалов использованы результаты электронной микроскопии, представленные на рисунке. Для изучения линейных размеров компонентов методом электронной микроскопии (СЭМ) использовался электронный микроскоп марки 18М-6390ЬЛ.
Матрица планирования эксперимента по видам образцов для испытаний физико-механических свойств композитов представлена в табл. 2, при этом в таблице древесная пыль (это ПШдсп, ДМ, ПШсщ).
К числу важнейших требований, предъявляемых к древесным дисперсным наполнителям, относятся способность совмещаться с матрицей или диспергироваться в ней, хорошая смачиваемость, отсутствие склонности к агломерации частиц, однородность их размера, а также низкая влажность.
Таблица 1
Характеристика используемых компонентов
Обычно, когда речь идет о взаимодействии пылевых частиц между собой, явления аутогезии именуют слипаемостью. Она обусловлена силами электрического, молекулярного и капиллярного происхождения. В качестве показателя слипаемости принимают прочность пылевого слоя на разрыв, Па. В данном случае слипаемость пыли определяли по методу разъемного цилиндра [4].
В большинстве древесных композиционных материалов с минеральными вяжущими в качестве вяжущего используют портландцемент, который относится к гидравлическим веществам, сохраняющим свою прочность, как на воздухе, так и в воде.
Характеристика процесса образования портландцемента и его химического состава, показывает, что в этом веществе содержатся минералы, которые при взаимодействии с водой могут выделять довольно активные вещества и которые способны взаимодействовать с компонентами древесины.
Процесс твердения цементной массы является сложным химическим процессом, его можно представить как функцию от времени P = F(f), а время протекания процесса t, состоящим из нескольких стадий. Кристаллизация цемента при воздействии воды протекает в присутствии древесного наполнителя, который на химическом уровне активно участвует в протекании химических реакций.
Параметр Портландцемент Зола ПШдсп ДМ ПШсщ
Состав используемого СаО - 67; БЮ2 - 64; Л1203 - 29; Смесь листвен- Сосна Берёза
компонента, (массовая Л12О - 35; БЮ2 - 22; Ге203 - 3,5; ЕеО - 0,28; ных и хвойных (100 %) (100 %)
доля) Ге203 - 3 и др. компонентов в размере 3 % СаО -К2О -ТЮ2 - 1,7; Mg0 -0,7; Ыа20 -0,7 0,2; 0,3; пород (75:25)
Абсолютная влаж- 1 1 5,0 8,0 6,4
ность, %
Средние арифметиче-
ские значения
(п = 50) линейных
размеров частиц, мкм: длина 31 35 287 211 153
ширина 25 27 45 52 33
Коэффициент формы 3,0 3,2 6,4 4,1 4,6
а б в
Фотографии, полученные с помощью электронной микроскопии используемых компонентов (*40): а - цемент; б - зола - уноса; в - древесная пыль
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента, % содержание компонентов
№ Нормализованные,% Натуральные, гр
об- Цемент Зола Древесная Цемент Зола Древесная Вода
разца пыль пыль
1 80 10 10 (ДМ) 214 27 27 (ДМ) 300
2 60 30 10 (ПШдсп) 160 80 27 (ПШдсп) 200
3 60 10 30 (ПШсщ) 160 27 80 (ПШсщ) 450
4 40 50 10 (ПШсщ) 107 134 27 (ПШсщ) 200
5 40 30 30 (ПШдсп) 107 80 80 (ПШдсп) 400
6 40 10 50 (ДМ) 107 27 134 (ДМ) 500
7 55 22,5 22,5 (ПШдсп) 147 60 60 (ПШдсп) 300
8 55 22,5 22,5 (ДМ) 147 60 60 (ДМ) 300
Картина кристаллизации цементных зерен резко меняется, когда в цементную смесь вводится древесный наполнитель.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты изучения фотографий, полученных методом электронной микроскопии, указывают на принципиальные различия поверхностей частиц компонентов экспериментальных образцов между собой. Частицы цемента не способны в сухом состоянии образовать агломераты, то есть не обладают аутогезией. Частицы золы-уноса образовывают очаговые скопления за счет электростатических сил, действующих на частицы друг относительно друга (частицы приобретают заряд в процессе образования). И, наконец, частицы пыли в общем виде способны образовывать агломераты, но различные по своему породному составу. Например, среди частиц смешанной шлифовальной древесной пыли значительно меньше доля частиц, разделяющихся на волокна, по сравнению с хвойной древесной мукой и шлифовальной пылью лиственных пород. Это обусловлено морфологическими свойствами самих древесных пород и видом электрического заряда, который они несут на себе [3].
Результаты микроскопии свидетельствуют о различии поверхности частиц данных материалов, которая в свою очередь влияет на способность частиц образовывать прочные соединения.
Для оценки физико-механические свойств экспериментальных образцов композитов со шлифовальной пылью были изучены их реологические свойства при температуре 150 °С и нагрузках от 19 до 206 Н, данные представлены в табл. 3.
Из данных табл. 3 следует, что композитные материалы с наполнителем ПШдсп не уступают по проч-
Таблица 3
Физико-механические свойства образцов
ности композитам с хвойным древесным наполнителем, который по водопоглащению уступает композиту с древесным наполнителем лиственных пород.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что содержание древесной пыли в составе композитного материала влияет на весь процесс кристаллизации, затвердевания смеси. Причем, при содержании в образце пыли смешанных пород предел прочности приравнивается, или не существенно отличается от образцов, содержащих древесную муку хвойных пород, а при использовании в образце древесной шлифовальной пыли лиственных пород наблюдается меньшее значение прочности по сравнению с вышеуказанными образцами. Далее представлены результаты изучение данного процесса.
В первой фазе гидролиза матрицы (цемента) выделяются щелочи (Са(ОН)2). Наиболее агрессивной в отношении древесины является отмеченный гидрооксид кальция. Было установлено, что влияние этой щелочи при длительном ее взаимодействии на древесину производит выщелачивание древесины и значительное ее разложение (потеря массы древесины достигает до 6 %). Под действием сильнощелочной жидкой фазы цемента в древесине разлагаются и растворяются некоторые вещества, в том числе составляющие гемицеллюлозу полисахара:
(С6Н10О5) + ПН2О ^ (СбН12О5)к + кН2О ^
С12Н22О11 + Н2О ^ С6Н12О6 (1)
Полученные более простые сахара легко растворяются в воде. По данным научных исследований [5]. В некоторых клетках древесины содержатся смолы, содержание которых в сосне составляет 6,4; в ели 1,9; березе 1,2; осине 1,5 % от веса абсолютно сухой древесины.
Показатель свойств Образцы, полученные в ходе эксперимента
1 2 3 4 5 6 7 8
Плотность, кг/м3 1 216,6 1 156,3 610,4 1 101,4 659,7 670,1 874,4 971,4
Предел прочности при изгибе (ст), МПа 17,67 16,62 3,27 14,05 3,84 4,68 9,15 9,72
Водопоглощение за 24ч, % 6,3 5,4 4,1 4,1 5,4 6,3 5,4 6,3
Смолы хорошо растворяются в спирте, ацетоне и водных растворах щелочей. При нагревании они плавятся, превращаясь в пластическую массу, затвердевающую при охлаждении. Это свойство смол используют при прессовании измельченных отходов без добавления связующих веществ. Во время прессования нагретой древесной массы, расплавленные смолы заполняют пространства между древесными частицами. А так как смол в древесине хвойных пород содержится больше, чем в лиственных, для производства данной группы композитных материалов лучше использовать древесную пыль хвойных пород. Из всех веществ наиболее отрицательно влияние на твердение цементной массы оказывают легко растворимые в воде моносахара, которые легко проникают сквозь стенки клеток древесины. При введении их в цементные системы с водой в результате адсорбции и под влиянием молекулярных сил сцепления они ориентируются вокруг цементных зерен, образуя тончайшее покрытие - адсорбционный слой. Частицы цемента, покрытые такой защитной оболочкой, теряют способность сцепляться друг с другом под влиянием молекулярных сил. При этом образованная оболочка затрудняет доступ воды к зернам цемента и отвод продуктов гидратации от них, что приводит к торможению гидролиза и гидратации цемента, а при определенных концентрациях углеводов к прекращению процессов.
Высказывается также мнение, что эффект замедления, создаваемый крахмалом, продуктами целлюлозы, сахарами, оксикислотами и моносульфокислыми солями возникает в результате воздействия альдегидной группы СОН этих соединений, которая адсорбируется на частицах 3СаО 8Ю2 и 3СаО Л12Оз и тем самым вызывает замедление процессов гидратации и твердения [6].
Анализ результатов исследований позволил сформировать гипотезу о том, что древесный сахар активизирует поверхность матрицы рассматриваемых композитных материалов. Введенные в растворе цемента вместе с водой сахара под влиянием адсорбции и молекулярной когезионной силы формируют тонкий адсорбционный слой на поверхности зерен цемента. Маленькие части цемента, охваченные слоем моносахаридов, не могут соединяться с ними, вода не может соединяться с зернами цемента и перемещение продукции гидратации невозможно. Это замедляет гидратацию цемента. Различное количество растворимых материалов в воде в различных породах древесины имеет различное влияние на время схватывания теста цемента, а увеличение количества экстрактивных веществ увеличивает степень замедления гидратации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты исследований показали:
1. Исследование процессов взаимодействия водорастворимых веществ древесины с портландцементом показали, что данные вещества влияют на процессы гидратации и твердения цемента, на процессы кристаллизации и структурообразования в композитном материале.
2. В составе композитов с цементной матрицей возможно использование шлифовальной древесной
пыли смешанных пород, так как по своим прочностным свойствам они не уступают известным композитам [7] с использованием хвойной древесной муки в качестве наполнителя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Клёсов А. А., Древесно-полимерные композиты. Научные основы и технологии. СПб., 2010. 736 с.
2. Stavrov V. P., Spiglazov A. V., Sviridenok A. I. Rheological parameters of molding thermoplastic composites high-filled with wood particles // Int. J. Appl. Mech. and Eng. 2007. Vol. 12. No 2. Р. 527-536
3. Черкасова Н. Г. Улучшение качества очистки и оздоровление воздушной среды искусственной ионизацией : дис. ... канд. техн. наук: 03.00.16. Красноярск, 2002. 286 c.: 61 03-5/1064.
4. Коузов П. А., Скрябина Л. Я. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. Л. : Химия, 1983. 143 с.: ил.
5. Боровиков А. М., Уголев Б. Н. Справочник по древесине. М. : Лесная пром-ть, 1989. 296 с.
6. Наназашвили И. Х. Исследование адгезии в структуре конгломерата «древесина-цементный камень» // Совершенствование заводской технологии железобетонных изделий на предприятиях сельстрой-индустрии. М., 2005. 378 с.
7. Амиров Р. Р., Амирова Л. М., Беззаметнов О. Н., Горбачук В. В. Получение и исследование свойств древесно-наполненных полипропиленов различных марок // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2012. Т. 154. Кн. 3. С. 90-104.
REFERENCES
1. Klesov A. A., Drevesno-polimernye kompozity. Nauchnye osnovy i tekhnologii. SPb., 2010. 736 s.
2. Stavrov V. P., Spiglazov A. V., Sviridenok A. I. Rheological parameters of molding thermoplastic composites high-filled with wood particles //Int. J. Appl. Mech. and Eng. 2007. V. 12. No 2. P. 527-536
3. Cherkasova N. G. Uluchshenie kachestva ochistki i ozdorovlenie vozdushnoy sredy iskusstvennoy ionizatsiey : dis. ... kand. tekhn. nauk: 03.00.16. Krasnoyarsk, 2002. 286 c.: 61 03-5/1064.
4. Kouzov P. A., Skryabina L. Ya. Metody opredeleniya fiziko-khimicheskikh svoystv promyshlen-nykh pyley. L. : Khimiya, 1983. 143 s.: il.
5. Borovikov A. M., Ugolev B. N. Spravochnik po drevesine. M. : Lesnaya prom-t', 1989. 296 s.
6. Nanazashvili I. Kh. Issledovanie adgezii v strukture konglomerata "drevesina-tsementnyy kamen'" // So-ver-shenstvovanie zavodskoy tekhnologii zhelezobetonnykh izdeliy na predpriyatiyakh sel'stroyindustrii. M., 2005. 378 s.
7. Amirov R. R., Amirova L. M., Bezzametnov O. N., Gorbachuk V. V. Poluchenie i issledovanie svoystv drevesno-napolnennykh polipropilenov razlichnykh marok // Uchen. zap. Kazan. un-ta. Ser. Estestv. nauki. 2012. T. 154. Kn. 3. S. 90-104.
© Черкасова Н. Г., Стрикун В. В., 2017
Поступила в редакцию 27.07.2016 Принята к печати 28.12.2016
