» » Древесно-полимерные композиции

Древесно-полимерные композиции

30.08.2016

Древесина постоянно и в большом количестве применяется в горном деле, особенно в угольной промышленности, где используется значительная часть всей деловой древесины, перерабатываемой в нашей стране. Большей частью древесина идет для средств крепления горных выработок: стоек, верхняков, затяжек, хотя находит применение и для других целей — для создания направляющих и проводников шахтных подъемных установок, средств герметизации горных выработок, изготовления анкеров, деталей конвейеров и другого шахтного оборудования.
Основными недостатками древесины как промышленного материала являются ее невысокая механическая прочность и низкая долговечность в связи с подверженностью гниению в условиях влажных и агрессивных сред. Оптимальные условия для развития процессов гниения дерева — влажность 85—100% при температуре 18—36° С, что характерно для шахтной среды.
Для защиты древесины от гниения разработано большое количество антисептиков (креозот, сулема, триолит, уралит, каменноугольные и другие масла), однако, как правило, они либо не удовлетворяют технике безопасности работ на шахтах (одни составы являются токсичными, другие повышают воспламеняемость древесины), либо быстро теряют свои качества («вымываются»), Кроме того, применяемые методы антисептирования — пропитка древесины под давлением, диффузионный метод и метод горяче-холодных ванн — не обеспечивают качественной и равномерной прочности всех пород древесины, применяемых в горном деле.
За последние годы разработано несколько методов улучшения свойств и качества древесины путем ее химической переработки. Можно условно выделить три таких основных метода: создание прессованных древесно-полимерных композиций (ПДПК), модификация древесины введением полимерных наполнителей (МДП) и пластификация. В первом случае (ПДПК) получается качественно новый материал, в последних двух — так называемая облагороженная древесина, в которой сохранены основные натуральные волокна, а повышение качества и физико-механических свойств достигнуто воздействием химических реагентов.
ПДПК получают путем пропитки мелких фракций древесины (измельченного предварительно высушенного шпона, стружек, опилок) в растворах синтетических смол, чаще всего спирте- или водорастворимых фенолоформальдегидных (СБС-1, ЛБС-3, СФЖ-3011) и карбамидных смол. Уплотнение смеси производится под давлением р = 39,2/68,6 МПос при температуре t = 145/165° С и выдержке из расчета 1 мин/1 мм толщины прессуемого изделия; высушивание изделия — постепенное, в течение времени Т.
В зависимости от назначения изделия в прессуемую массу добавляют дозированное количество антифрикционных, теплоизоляционных, окрашивающих и других добавок.
Физико-механические качества ПДПК зависят от размеров, формы и влажности частиц древесины, вида и состава полимерного связующего, параметров прессования (р, t, Т), содержания и вида добавок.
Особое влияние имеет содержание связующего. Установлено, что оно должно быть тем выше, чем ниже размеры исходных фракций древесины (стружек, опилок). Снижение содержания связующего до 20% положительно сказывается на прочности изделия, но при этом снижаются свойства текучести и водостойкости пресс-массы. Оптимальным содержанием связующего можно считать 25—30%.
К настоящему времени с большой эффективностью освоено применение деталей из ПДПК во многих отраслях промышленности, особенно в сельхозмашиностроении, где из этих материалов изготавливают различные втулки, крышки, трубки, подшипники скольжения, корпуса и другие изделия.
Модификация полимеров основывается на пропитке цельных кусков древесины полимерными связующими с их последующей полимеризацией. Модифицированная древесина объединяет свойства природного (древесина) и натурального (наполнитель) полимеров. Проникновению наполнителя в древесину способствует ее пористо-сосудистое строение, причем этот процесс осуществить легче для мягких лиственных (береза, ольха, осина) и хвойных пород. В качестве наполнителя при модификации древесины используются фенолоформальдегидные, карбамидные, меламиноформальдегидные и даже эпоксидные и полиэфирные смолы. Пределы прочности древесины на сжатие вдоль волокон, поперек волокон и на растяжение вдоль волокон (МПа) для натуральной березы 71,5; 9,1; 130,8, а для модифицированной березы — 162; 54,2; 240,7 соответственно. Существенное возрастание прочности древесины в результате ее модификации и регулирование свойств огне- и биостойкости и др. достигаются путем правильного подбора пропитывающих составов и технологии пропитки. Технологический процесс модификации древесины осуществляется в несколько этапов.
1) Подготовка древесины путем механической обработки и сушки до определенной влажности (12—16%). В результате получают заготовки необходимых размеров в форме брусков, стержней, плиток, и пр.
2) Приготовление наполнителя, растворение смолы до определенной вязкости, модификация ее добавками.
3) Наполнение древесины, осуществляемое на промышленных установках, оборудованных емкостями, системами сжатого воздуха или гидравлики и системами вакуумирования. Для наполнения древесины высоковязкими растворами применяются ультразвуковые установки.
Для полимеризации наполнителя в древесине применяют термические, химические, химико-термические, радиационные способы. Основы методов получения пресс-массовой и модифицированной древесины разработаны в Физико-химическом институте им. Л.Я. Кярппия Белорусском политехническом институтe им. С. M Кирова, Институте химии древесины АН ЛатвССР, УкрНИИМод.
К настоящему времени модифицированная древесина нашла широкое применение в строительстве (плитки паркетного пола, рамные переплеты и пр.), в быту (элементы мебели), машиностроении (подшипники скольжения, втулки, пальцы, муфты, направляющие и пр.).
Сравнительно новым способом облагораживания древесины является ее химическая пластификация, заключающаяся в обработке древесины аммиаком. Воздействуя на лигнин и гемицеллюлозу, аммиак сообщает древесине пластичность и способность уплотняться при прессовании, превращая ее по существу в новый материал — лигнамон — со свойствами, качественно улучшенными по сравнению с исходной древесиной. Пластификации легче поддаются мягколиственные и хвойные породы деревьев.
Технологический процесс пластификации осуществляется в несколько этапов: подготовка (механическая обработка, сушка), укладка их в автоклав, пропитка аммиаком в заданном режиме температур и давления, уплотнение обработанной древесины, сушка после пластификации.
Институтом химии древесины АН ЛатвССР в 1976 г. была изготовлена опытная партия анкеров из лигнамона. Ее изготовление осуществлялось так называемым комбинированным способом, совместившим пропитку древесины газообразным аммиаком, ее прессование и сушку в одном автоклаве. Пластифицированная древесина обладает высокой механической прочностью на растяжение вдоль волокон, статический изгиб и сжатие, причем прочность зависит от достигнутой плотности.
При плотности γ = 1300 кг/м3 и влажности 3—5% пределы прочности лигнамона вдоль волокон достигают значений: на растяжение σbp = 390 МПа, на сжатие σbp = 205 МПа. Испытания на статический изгиб показали, что средний показатель прочности в 3 раза превышает прочность натуральной древесины.
Проведенные рядом авторов исследования показали, что применение лигнамона эффективно также в качестве износостойкого антифрикционного материала, в частности, для создания подшипников скольжения. Коэффициент трения материала при смазке солидолом равнозначен коэффициенту трения по баббиту Б-16. Лигнамон является также весьма износостойким материалом, особенно при растяжении волокон с выходом на торец. Исследования показали, кроме того, что огнестойкость лигнамона и его биостойкость также существенно выше, чем у натуральной древесины.
Наиболее успешно и широко древесно-полимерные композиции применяются в сельскохозяйственном машиностроении: для изготовления втулок и вкладышей подшипников, роликов повышенной долговечности для конвейерных систем. Древесно-полимерные композиции применяют также для изготовления направляющих цепных конвейеров и погонажных изделий (труб, профилей) для строительства.