Введение к работе
Актуальность работы.
Отрасль строительных материалов в настоящее время взяла курс в направлении создания новых эффективных теплоизоляционных материалов, что обусловлено нынешней стратегией энергосбережения в условиях повышения цен на энергетические ресурсы. Современные теплоизоляционные материалы не лишены всех эксплуатационных и стоимостных недостатков. При низкой стоимости материала население получает низкокачественный продукт, обладающий высоким водо- и влагопоглощением, и низкой огнестойкостью. При высокой стоимости основная часть эксплуатационных показателей находится в пределах нормы, но фактор экологичности и долговечности также остается не проработанным. Современный уровень развития техники и технологий позволяет достичь комплексного сочетания достоинств материалов и отсутствия отрицательных показателей качественных свойств материала с учетом низкой себестоимости конечного продукта, однако на сегодняшний день этого не сделано.
В связи с этим решение проблемы переработки древесных отходов и создания на их основе новых эффективных древесно-наполненных теплоизоляционных материалов с низкой рыночной стоимостью является актуальной задачей.
Работа выполнялась в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по государственному контракту с ФСР МФП НТС № 422ГС1/9650, 1492ГС2/9650 по теме: «Разработка технологии и опытно-промышленной установки для получения древесно-наполненных теплоизоляционных материалов». Исследования по данной работе были профинансированы Грантом Министерства Экономики Республики Татарстан, государственный контракт № 19/1ЛГ по теме: «Производство теплоизоляционных материалов на основе древесно-полимерных компонентов», а также при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013” при исполнении государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме: “Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала”.
Степень разработанности проблемы.
Исследования проблем рационального использования древесных отходов с получением материалов теплоизоляционного назначения, качественные показатели этих материалов и используемое технологическое оборудование, рассматривались в работах ученых А.В. Ермолиной, В.В. Степанова, П.В. Миронова, Е.М. Разинькова, М.И. Зайцевой и других. В работах данных авторов исследовались подходы к созданию и технологии получения теплоизоляционных материалов, в которых в качестве наполнителя использовались отходы лесопромышленного комплекса.
Вопросами в области создания наполненных полимерных материалов занимались ученые Т.Н. Стородубцева, С. А. Угрюмов, С.И. Вольфсон, М. В. Филичкина, А.А. Андреева, В.А. Золотухин, Е.А. Рюткянен, Н.В. Сиротинкин, В.П. Сучков, Д.Ф. Яковенко, А.А. Мольков, И.М. Галиев, и другие. В работах данных
4 авторов рассматривались возможные пути введения различных наполнителей в полимерную, в частности пенополиуретановую матрицу с целью получения материалов с заданными технологическими и эксплуатационными свойствами и снижения их стоимости.
Исследования особенностей формирования адгезионных связей между полимером и древесиной рассматривались в работах ученых А.А. Шакиной, А.А. Аксоми тн ог о, В.В. Гл ухи х, И. Н. М уси на и др угие. В работа х да нн ы х авторов рассматривались закономерности образования и разрушения адгезионных связей и пути повышения адгезионной прочности.
Цель и задачи работы.
Цель работы заключается в создании древесно-полимерного теплоизоляционного материала и технологии его получения.
Для достижения поставленной цели в данной работе поставлены следующие задачи исследования:
-
Создание экспериментального стенда и проведение экспериментальных исследований образцов древесно-полимерного теплоизоляционного материала с возможностью оценки физико-механических, теплофизических и эксплуатационных показателей древесно-полимерного материала, в зависимости от технологических параметров процесса.
-
Разработка математического описания, позволяющего прогнозировать физико-механические, теплофизические и эксплуатационные показатели древесно-полимерного материала, в зависимости от технологических параметров процесса.
3. Разработка технологии получения древесно-полимерного
теплоизоляционного материала с улучшенными эксплуатационными свойствами,
высокими теплофизическими показателями и низкой рыночной стоимостью.
4. Промышленная апробация и экономическая оценка теоретических и
экспериментальных результатов исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна работы.
В работе содержатся научно-обоснованные результаты и технологические решения по получению высококачественного древесно-полимерного теплоизоляционного материала:
-
Разработан и экспериментально обоснован состав древесно-полимерного теплоизоляционного материала. Выявлены соотношения исходных компонентов, кот орые н ео бходимо выдерживать в след ующих диа пазонах : те хн ологиче ска я щепа 56 68 масс. %, полиол 17,6 12,8 масс. %, полиизоцианат 26,4 19,2 масс. %, антипирен 0,08 0,09 л/кг.
-
Установлено влияние разрежения и массовой концентрации компонентов древесно-полимерного теплоизоляционного материала на его плотность, водопоглощение, предел прочности при изгибе, предел прочности при растяжении и теплопроводность.
-
Разработан способ послойной укладки компонентов древесно-полимерного теплоизоляционного материала. Новизна способа подтверждена патентом Российской Федерации № 2538004.
-
Разработаны математические зависимости качественных свойств разработанного древесно-полимерного теплоизоляционного материала от технологических параметров процесса.
5. Определены рациональные технологические режимы процесса получения древесно-полимерного теплоизоляционного материала:
– размер частиц – от 15 до 20 мм;
– степень разрежения – от 20 до 30 кПа;
– время заполнения форм – от 37 до 53 сек.;
– время ваккумирования – от 1,3h до 2,4h сек., где h – высота свободной части формы, мм.
Теоретическая и практическая ценность работы.
Теоретическая ценность представленной работы заключается в разработке математического описания, позволяющего определять физико-механические, теплофизические и эксплуатационные показатели древесно-полимерного теплоизоляционного материала в зависимости от массового соотношения основных компонентов древесно-полимерной композиции.
Практическая ценность данной работы заключается в разработке ресурсосберегающей технологии переработки отходов лесопромышленного комплекса с дальнейшим использованием их в качестве наполнителя в производстве теплоизоляционного материала, обладающего высокими теплофизическими и эксплуатационными показателями при относительно низкой рыночной стоимости.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.
Методологической базой исследования являются характеристики свойств исходных компонентов, которые выступают в качестве основных факторов, влияющих на физико-механические, теплофизические и эксплуатационные свойства древесно-полимерного теплоизоляционного материала. Теоретическую базу исследований составили работы ученых по вопросам использования отходов деревообрабатывающих предприятий для производства теплоизоляционных материалов, влияния состава на качественные показатели древесно-наполненных теплоизоляционных материалов, а также нормативные документы. Эмпирическую основу составляли исследования физико-механических, теплофизических, эксплуатационных свойств материала, результаты лабораторных испытаний древесно-наполненных теплоизоляционных материалов по проблеме качественных и эксплуатационных показателей.
Достоверность научных результатов.
Достоверность полученных данных основывается на применении научно-обоснованных методик проведения экспериментальных исследований и теории обработки информационных данных. Результаты испытаний и рекомендации гарантируют достоверность большим объемом экспериментальных данных, полученных на современных сертифицированных установках. Полученные научные результаты согласуются с результатами промышленной апробации разработанного материала.
Реализация работы.
Разработанная опытно-промышленная установка и технологические рекомендации, ориентированные на получение древесно-полимерного теплоизоляционного материала с улучшенными качествами и низкой рыночной стоимостью, апробированы и внедрены в производственный цикл ООО НПО «Политехнологии».
6 Основы теоретических и экспериментальных исследований процессов получения древесно-полимерных теплоизоляционных материалов, а также созданные экспериментальные стенды используются в учебной программе по дисциплине «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».
Личный вклад автора.
Автором разработана основная идея диссертации, поставлена задача исследования, создан экспериментальный стенд и проведены экспериментальные исследования опытных образцов древесно-полимерного теплоизоляционного материала, получены математические зависимости качественных свойств разработанного древесно-полимерного теплоизоляционного материала от технологических параметров процесса. При непосредственном участии автора создана и апробирована опытно-промышленная установка для получения древесно-полимерного теплоизоляционного материала, а также разработаны рекомендации по оптимизации режимов технологических процессов. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей и патентов.
На защиту выносятся.
-
Результаты экспериментов и математические зависимости качественных свойств разработанного древесно-полимерного теплоизоляционного материала от технологических параметров процесса.
-
Состав древесно-полимерного теплоизоляционного материала.
-
Конструкция экспериментального стенда для получения образцов разработанного древесно-полимерного теплоизоляционного материала.
-
Технология получения древесно-полимерного теплоизоляционного материала методом послойной укладки.
5. Технические решения на уровне изобретений.
6. Рекомендации по оптимизации режимов технологического процесса
получения древесно-полимерных теплоизоляционных материалов.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Энергетика, эффективность, надежность, безопасность» (Томск 2015г.), «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань 2015г.), «Дни науки – 2016» (Чехия, Прага 2016); на международных научно-практических конференциях: «Шестой технологический уклад: механизмы и перспективы развития» (Ханты-Мансийск, 2015), «Закономерности и тенденции развития науки в современном обществе» (Тюмень, 2016), а также на научных сессиях КНИТУ (Казань, 2015 – 2017).
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 статья в издании, входящем в международную реферативную базу данных Scopus, 2 патента на изобретения Российской Федерации.
Соответствие работы паспорту научной специальности.
Результаты диссертации соответствуют паспорту специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки»: п. 2
7 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции»; п. 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины».
Объем и структура работы.