Общие сведения о древесных композиционных материалах, их классификация и разновидности, направления и особенности практического применения. Инновационный композиционный материал, оценка его главных преимуществ и недостатков, перспективы развития.
Аннотация к работе
Как известно, материалы, полностью или частично изготовленные из древесины - древесные материалы. То есть, это материалы из древесины, при обработке которой меняется ее природная физическая структура и химический состав. В качестве классификационных признаков ДКМ принято выбирать состав компонентов, структуру и расположение компонентов, вид исходного сырья (наполнитель и связующее), геометрию наполнителя, метод получения, основной показатель качества (среднюю плотность) и сферу использования материалов. ДКМ с комбинированной структурой - материалы, содержащие комбинации предыдущих групп (облицованное ДСП относится к материалу, совмещающему матричную и слоистую структуру, а столярная плита объединяет каркасную и слоистую структуру). К таким материалам относятся древесина, модифицированная полимерами; клееные деревянные конструкции, состоящие из досок и брусков, соединенных клеями; фанера, фанерные плиты, ДСП, ДВП, ДКК, МДП и т.п.Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности. В условиях углубления экономических реформ и рыночных взаимоотношений нужно находить наиболее простые эффективные способы производства материалов, используя более дешевое сырье для получения качественной продукции приносящую большую прибыль.
Введение
деревообработка композиционный инновационный
Перспективы развития деревообрабатывающей промышленности обычно связывают с разработкой и широким применением древесных композиционных материалов (ДКМ).
Они имеют комплекс свойств и особенностей, отличающихся от традиционного конструкционного материала деревообработки (массивной натуральной древесины) и в совокупности открывают широкие возможности для разработки новых материалов и технологических процессов.
Расширение работ по созданию ДКМ привело к необходимости упорядочения и совершенствования терминологии, а также к выделению основных, существенных признаков данных материалов.
Для ДКМ пока нет четко установленной, научно обоснованной номенклатуры. Терминология деревообрабатывающей промышленности состояла много веков и обычно носила стихийный и кустарный характер. По разным причинам и условий в терминологической области распространились термины-синонимы, неточные названия, наименования понятий, которые не отражают их сути. На практике вместо терминов и определений понятий часто применяют описательные выражения произвольной структуры с использованием иностранных слов и слов бытовой лексики. Терминология по своей природе субъективна, поскольку сроки выдумывают люди. Поэтому их стандартизация всегда приводит к спорам. Для решения этой проблемы нужно приобщиться филологам, всем специалистам, имеющим дело с древесиной. Стандартизация - шаг к взаимопониманию. Решив эту проблему, мы упростим взаимоотношения как специалистов смежных под отраслей деревообрабатывающей промышленности, так и между специалистами различных отраслей и, бесспорно, облегчим процесс обучения в образовательных учреждениях. Решение этой задачи связано с разработкой классификации ДКМ.
1. Общие сведения о древесных композиционных материалах
Как известно, материалы, полностью или частично изготовленные из древесины - древесные материалы. ДКМ (древесные композиционные материалы) - это материалы, получаемые путем обработки натуральной древесины давлением при повышенных температурах, пропиткой химическими веществами, склеиванием и т.п. То есть, это материалы из древесины, при обработке которой меняется ее природная физическая структура и химический состав.
Большинство современных ДКМ - это композиции, изделия из которых имеют определенное сочетание эксплуатационных свойств, например, древесностружечные плиты, фанера и т.д. Во всех случаях - это система различных материалов, каждая из составляющих которой имеет свое конкретное назначение в готовом изделии. Ни шпон, ни клей не могут выполнять свою функцию независимо, а в фанере они используются совместно и должны рассматриваться как единая композиция. Следовательно, выражение «композиционный материал» включает в новой форме очень старую и простую мысль о том, что совместная работа разнородных материалов дает эффект, равносилен созданию нового материала, свойства которого и количественно, и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих.
Следовательно, для ДКМ характерны следующие признаки: - не встречаются в природе, поскольку созданы человеком;
- в противовес натуральной древесине, имеют улучшенные эксплуатационные и другие свойства;
2. Классификация композиционных материалов
ДКМ можно разделить на две большие группы: древесину модифицированную и древесную композицию. Модифицированная древесина - это натуральная массивная древесина, подвержена соответствующей обработке, под действием которой меняется естественное строение древесины. А древесная композиция - это сочетание древесины и связующего вещества, комбинация древесных и не древесных материалов.
В качестве классификационных признаков ДКМ принято выбирать состав компонентов, структуру и расположение компонентов, вид исходного сырья (наполнитель и связующее), геометрию наполнителя, метод получения, основной показатель качества (среднюю плотность) и сферу использования материалов.
По составу компонентов ДКМ делятся на: 1. Однокомпонентные.
2. Двухкомпонентные.
3. Многокомпонентные.
Компонентом является различного вида и параметра наполнитель, связующее и другой материал, входящий в состав композиции.
По структуре и расположению компонентов ДКМ разделяют на четыре группы: 1. ДКМ с каркасной структурой (пропитанная древесина, клееные деревянные конструкции) В данных ДКМ основной компонент - массивная древесина образует каркас, который формирует будущий облик материала.
2. ДКМ со слоистой структурой - материал, полученный набором листов (слоев) компонентов, которые чередуются. К этой группе относятся фанера, древесно-слоистые пластики (ДСП).
3. ДКМ с матричной структурой - материал, в котором связующее является матрицей. Роль матрицы заключается в предоставлении изделию необходимой формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое частицы или волокна, она дает композиционному материалу способность воспринимать разного рода нагрузки. К таким ДКМ относятся ДСП и ДВП, ЦСП, ГСП, ГВП, МДП, ДКК, ДПП.
4. ДКМ с комбинированной структурой - материалы, содержащие комбинации предыдущих групп (облицованное ДСП относится к материалу, совмещающему матричную и слоистую структуру, а столярная плита объединяет каркасную и слоистую структуру).
В зависимости от вида наполнителя ДКМ можно разделить на три группы: 1. Материалы, изготовленные на основе древесины (ткани, древесных и кустарниковых растений).
2. ДКМ на основе лубяных и других растений (тростник, солома, костра льна и т.п.).
3. Материалы на основе наполнителей двух предыдущих групп (на основе смеси древесины и растительного сырья).
Согласно геометрии наполнителя (по параметрам наполнителя) ДКМ делятся на шесть групп: 1. Материалы, изготовленные на основе массивной древесины.
2. ДКМ на основе листов шпона - древесного материала в виде тонких листов древесины, полученных в результате лущения чураков или строгания ванчесов.
3. Материалы, изготовленные на основе дискретных частиц, имеющих различную форму и размеры. В качестве наполнителя используются древесные частицы: технологическая щепа, древесная шерсть, специальная стружка, станочная стружка, опилки, частицы древесной коры; растительные частицы: кострец, измельченные стебли растений, отходы семян.
4. ДКМ, наполненные древесным или другим растительным волокном (хлопковым, джутовым, льняным и т.д.).
6. Материалы на основе наполнителей предыдущих групп (на основе комбинации различных наполнителей).
ДКМ в зависимости от природы связующего делятся на: 1. ДКМ без применения стороннего связующего. Материалы, матрицей которых являются природные клеящие вещества (продукты гидролитического расщепления углеводородного комплекса древесины). К таким материалам относятся пьезотермопластики, лигноуглеводные пластики. К ДКМ без применения связующих относится и древесина, модифицированная термомеханически, химически, химико-механически.
2. ДКМ с использованием связующего. Материалы, для создания которых применяется стороннее связующее вещество.
По виду матрицы делятся на 4 группы: 1. Полимерные ДКМ. Материалы, в которых применяются синтетические полимеры. К таким материалам относятся древесина, модифицированная полимерами; клееные деревянные конструкции, состоящие из досок и брусков, соединенных клеями; фанера, фанерные плиты, ДСП, ДВП, ДКК, МДП и т.п.
2. Неорганические ДКМ. Материалы, матрицами которых являются минеральные вещества: цемент, гипс, магнезиальные связующее, жидкое стекло. К таким материалам относятся арболит, фибролит, ксилолит, королит, термобетон, ЦСП, ГСП и ГВС, плиты и изделия из частиц древесины и жидкого стекла.
3. Металлизированные ДКМ. К ним относятся металлизированная древесина (пропитанная металлами, имеющие низкую температуру плавления и древесина, пропитанная растворами солей, восстановленными в чистых металлов.
4. В четвертую группу могут быть включены материалы, матрицы которых представляют собой природные клеящие вещества или продукты гидролитического расщепления углеводородного комплекса древесины. К таким материалам относятся пьезотермопластики и лигноуглеводные пластики.
По методу получения ДКМ разделяют на три группы: 1. ДКМ пропитанные, полученные методом пропитки.
2. ДКМ прессованные, полученные методом прессования. Это прессование может быть: плоским прессованием, экструзией, штамповкой и др.
3. ДКМ пропитано-прессованные, полученные комбинированным методом. Эти методы основаны на последовательном или параллельном применении еще нескольких методов.
По средней плотности делят на две группы: 1. Легкие ДКМ - средняя плотность меньше 1200 кг/м3. Легкими является модифицированная древесина, ГСП, фибролит, арболит, королит, ДКК и другие.
2. Тяжелые ДКМ - средняя плотность более 1200 кг/м3. Тяжелые материалы - это пьезотермопластики и лигноуглеводные пластики, строительный брус, ЦСП, изделия из МДП и другие.
Разделение по этому признаку достаточно условное, поскольку не всегда можно провести четкую границу между группами.
Классификация ДКМ по сферам их использования: Материалы на основе минеральных связующих применяются в строительстве. Модифицированная древесина - в строительстве, для производства мебели, на транспорте, в горнодобывающей и легкой промышленности. Изделия из МДП используются в машиностроении, химической промышленности и радиопромышленности. ДСП и ДВП применяются в мебельном, тарном производствах, приборо- и радиооборудовании, строительстве, судо -, авто- и вагоностроении.
3. Основные виды ДКМ
1. Плиты OSB
Плиты из ориентированной щепы появились в восьмидесятых годах прошлого века в США. Для России они являются сравнительно новым и перспективным материалом. Их основой является щепа, получаемая способом лущения - разрезания стволов по спирали. Как и многие другие композитные материалы, плиты OSB изготавливаются методом горячего прессования с применением водостойких склеивающих смол. Перед тем, как подвергнуть сырье прессованию, щепа ориентируется таким образом, чтобы близлежащие слои имели взаимно-перпендикулярную ориентацию, что позволяет получить высокое сопротивление материала на изгиб во всех направлениях.
2. ДПК
Древесно-полимерный композит ДПК состоит из полимера, древесного наполнителя и различных добавок. В качестве полимеров используются поливинилхлорид, полипропилен или полиэтилен. Древесный наполнитель может быть в виде древесной муки или мелкой щепы. В большом количестве используются отходы древесины. ДПК иногда называется жидким деревом, древотермопластом или древесно-пластиковым композитом. По внешнему виду древесно-полимерный композит похож на плиты МДФ и ДВП.
3. ДСП
Древесно-слоистые пластики получают в процессе термической обработки под большим давлением из листов шпона, склеенных синтетическими клеями. В зависимости от назначения ДСП выпускают 11 марок с различными типами укладки шпона. Большинство марок ДСП имеют техническое назначение: применяются в электротехнике, судо- и машиностроении, в качестве конструкционного самосмазывающегося антифрикционного материала.
4. Гнуто-клееные детали
Гнуто-клееные детали получают склеиванием шпона или фанеры с одновременным гнутьем. Для этого листы шпона нужных размеров склеивают мочевиноформальдегидным клеем, помещают в пресс-формы, где обрабатывают паром и подвергают гнутью. Изгибанием брусков получают гнуто-пропильные детали, так как в месте изгиба брусок пропиливают, а в пропил помещают шпон, пропитанный клеем. Из гнуто-клееной и гнуто-пропильной древесины изготавливают криволинейные детали стульев, столов, спинки и т.д.
5. Столярные плиты
Столярные плиты представляют собой щиты, склеенные из реек древесины хвойных, мягких лиственных пород и березы и оклеенные с обеих сторон двумя слоями лущеного шпона - наружным и подслоем. Все слои должны иметь одинаковое направление волокон древесины и располагаться перпендикулярно к рейкам. Плиты изготавливают необлицованными и облицованными строганым шпоном с одной или двух сторон. Применяют плиты для изготовления щитовых деталей мебели: боковых стенок, дверок, крышек столов. Характеризуются столярные плиты повышенной Массой и специфической волнистостью поверхности.
6. Пьезотермопластики (ПТП)
Пьезотермопластики получают из измельченной или из цельной древесины или других растительных материалов без добавления связующего вещества путем пьезотермической обработки пресс-материала в замкнутом пространстве при температуре 160° С и давлении 15 МПА. Сокращенно этот материал называют ПТП. Физико-механические свойства ПТП: плотность не менее 1350 кг/м3; прочность при статистическом изгибе не менее 25-40 МПА; прочность при сжатии не менее 60-80 МПА; ударная вязкость - 6,3-14,5 кг/см2; твердость по Бринеллю 15-19 кг/мм2; удельное объемное сопротивление - 1х1012 - 1х1013 Ом/см; теплостойкость - 50-90° С; истираемость - 40-64 г./см2. Плитки выпускают в виде квадратов, прямоугольников и шестиугольников.
7. Лигноуглеродные древесные пластики
Пластики изготовляют в виде листового материала на основе древесных частиц без добавления связующих. В основе технологии производства указанных пластиков, заложена способность древесных частиц к пластификации за счет использования реакционных свойств некоторых компонентов древесины. Технологический процесс производства лигноуглеводных древесных пластиков состоит из следующих операций: подготовки древесных частиц; сушки древесных частиц; дозировки древесных частиц; настилки ковра; холодной подпрессовки; горячего прессования; обрезки готовых плит; кондиционирования плит. Сырьем для производства пластика могут служить опилки, а также измельченные отходы от деревообработки и лесозаготовок. В сырье допускается примесь коры.
8. Арболит
Арболит относится к группе легких бетонов и изготовляется на основе древесного заполнителя, связующих и минерализатора. Изделия из арболита, выпускаемые в виде панелей, блоков пли плит, подразделяются следующим образом: 1. по назначению - на теплоизоляционные и конструктивно-теплоизоляционные;
2. по армированию - на неармированные и армированные;
3. по наружному профилю - на гладкие (плоские) и сложного профиля;
4. по отделке поверхности - на офактуренные и неофактуренные.
9. Фибролит
Фибролит представляет собой строительный материал из древесной шерсти, портландцемента, химических добавок и воды. Из фибролита изготавливают плиты, которые применяются в качестве теплоизоляционного, конструкционного и акустического материала для стен, перекрытий, перегородок и покрытий зданий.
10. Королит
Королит изготавливается на основе минеральных связующих и частиц из древесной коры, получаемой при окаривании древесины. В качестве связующего используют портландцемент, высокопрочный гипс, фосфогипс. Королит применяют в качестве тепло - и звукоизоляционного материала при устройстве перегородок, перекрытий.
11. Ксилолит
Ксилолит (от греч. lithos - камень), искусственный строительный материал из смеси магнезиального связующего, опилок и древесной муки с добавлением тонкодисперсных минеральных веществ (тальк, асбест, мраморная мука) и щелочестойких пигментов. Ксилолит применяют главным образом для устройства бесшовных полов в жилых и общественных зданиях, а также в производственных помещениях с сухим режимом эксплуатации.
12. Цементно-стружечные плиты
ЦСП изготавливают методом прессования древесных частиц, смешанных с цементным вяжущим и химическими добавками. Относятся к группе трудносгораемых материалов повышенной водостойкости и применяются для строительства стеновых панелей, плит перекрытий, при устройстве полов.
13. Гипсо-стружечные плиты
ГСП являются разновидностью ЦСП, выпускают на основе гипса. Применяют для внутренней отделки, устройства стен, потолков, полов.
4. Инновационный композиционный материал
В лабораторных условиях кафедры МОД УГЛТУ разработана рецептура древесно-клеевой композиции и определено количества наполнителя, обеспечивающего достаточные защитные свойства, а также ориентировочная технология изготовления композиционного материала, которая принципиально не отличается от технологии производства древесностружечных плит.
Проведены испытания лабораторных образцов для определения основных физико - механических и защитных свойств. Физико-механические показатели плит на основе композиционного материала не уступают свойствам существующих древесностружечных плит.
Степень защиты полученного материала от рентгеновского излучения можно регулировать в зависимости от требований заказчика. Результаты оценки защитных свойств полученного материала выполнены при жестком (пучковом) излучении и дают положительные результаты (рис. 1).
Рис. 1 - Результаты проверки экспериментальных образцов композиционного материала различных конструкций по защитным свойствам от ионизирующего излучения (заштрихованная зона - применение композиционных материалов для оформления рентгенкабинетов)
Рис. 2 Микрофотографии структуры композиционного материала (распределение частиц наполнителя в стружечноклеевой среде)
Рис. 3 Общий вид композиционных материалов
Проведенные поисковые эксперименты показывают, что разработанный композиционный материал с защитными свойствами от рентгеновского излучения, его структура (рис. 2) и технология получения показывают перспективность производства данного материала. Разработанный композиционный материал может быть использован как защитный материал от рентгеновского излучения, для его изготовления можно использовать отходы деревообработки. Материал рекомендуется применять при оборудовании рентгеновских кабинетов, для обшивки стен, пола, потолков, изготовления ширм, дверных блоков и др. (рис. 3.) Выпускаемая продукция составит конкуренцию существующим строительным материалам для обустройства помещений, требующих защиты от рентгеновского излучения.
Вывод
Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности. В условиях углубления экономических реформ и рыночных взаимоотношений нужно находить наиболее простые эффективные способы производства материалов, используя более дешевое сырье для получения качественной продукции приносящую большую прибыль. Одним из стратегических направлений в развитии лесопромышленного комплекса России является получение материалов с ранее задаваемыми свойствами, способными расширить их область применения. Для расширения ассортимента и рынка сбыта готовой продукции ведется поиск новых областей использования древесных материалов.
Интерес к созданию композиционных материалов обусловлен тем, что традиционные материалы уже не всегда или не вполне отвечают потребностям современной инженерной практики. Это приводит к необходимости создания новых материалов, которые могут объединить полезные свойства отдельных компонентов и проявлять новых свойств, отличных от свойств компонентов. Во многих случаях композиционные материалы разрабатываются и создаются одновременно с конструкцией.
Список литературы
1. Мельникова Л.В. Технология композиционных материалов из древесины: Учебник для студентов спец. «Технология деревообработки». 2-е изд., испр. и доп. - М.6 МГУЛ, 2004. - 234 с.:ил.