Введение к работе
Актуальность работы.
Одним из направлений переработки древесных отходов является их использование при производстве древесно-полимерных композитов (ДПК). Широко развит рынок ДПК в США, Китае, Европе и, в связи с большим объемом потребления, продолжается рост популярности этого материала. Актуальность древесно-полимерных изделий обуславливается широким спектром применения, начиная от внутренней отделки домов, офисов, строительством беседок, террас, заканчивая деталями изделий автомобильной промышленности.
К недостаткам существующих аналогичных изделий можно отнести высокую стоимость, обусловленную использованием только первичного сырья.
С учетом того, что основная доля изделий из ДПК приходится на террасные настилы, актуальна задача разработки на основе древесных отходов и вторичных полимеров более экономичного напольного настила в виде досок и плит повышенного качества, обладающих повышенными эксплуатационными показателями.
Исследования по данной работе выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013”, государственный контракт № 16.525.11.5008 по теме: “Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала”, а также фонда содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере, государственный контракт № 40ГС1/6815 по теме: “Разработка технологии и опытной установки переработки древесных и термополимерных отходов с получением железнодорожных шпал”.
Степень разработанности проблемы.
Вопросы по рациональному использованию древесных отходов для
получения материалов и изделий народного потребления, характеристика этих
материалов и применяемые технологические оборудования рассматривались в
работах ученых В.В. Глухих, С.А Угрюмова, Т.Н. Стородубцевой,
Е.М. Разинькова, Л.А. Абдрахмановой, И.Х. Наназашвили, Л.И. Аминова,
Р.В. Салимгараевой, А.И. Бурнашева, В.В. Степанова, А.М. Иванова,
А.Е. Шкуро, M. Morreale, M.E. Gomes, и др. В этих работах исследовались
составы и технологии получения древесных композитов, в которых в качестве
наполнителей использовались отходы лесозаготавливающих и
деревообрабатывающих производств.
Цель и задачи работы.
Разработка многослойных напольных настилов из ДПК и технологии их производства достигается выполнением следующих задач:
1. Аналитический обзор существующих технологий производства ДПК, современных методов переработки древесных отходов и теоретических исследований в этой области.
-
Разработка методик испытаний, позволяющих дать адекватную оценку качественных показателей изделий, которые не предусмотрены нормативно-технической документацией.
-
Изучение эксплуатационных, прочностных свойств полученного ДПК.
4. Получение математической модели, позволяющей прогнозировать
качественные свойства изделий в зависимости от содержания древесного
наполнителя и алгоритма выбора технологических параметров по требуемым
эксплуатационным показателям напольного настила, дающие возможность
рассчитывать оптимальный состав композита при использовании других
наполнителей.
5. Разработка технологии получения многослойного напольного настила
на основе древесного наполнителя и полимерных связующих.
6. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологии
получения напольного настила, способствующих улучшению прочностных и
эксплуатационных свойств материала и увеличению экономического эффекта
производства.
Научная новизна работы.
Работа содержит научно-обоснованные результаты и технологические решения по получению высококачественного напольного настила на основе древесных отходов:
1. Разработан и экспериментально обоснован состав многослойного
напольного настила, защищенный патентом РФ на изобретение:
поверхностный слой: древесная мука 70-80 масс.%, полипропилен 15-25 масс.%, полибутадиен 2-4 масс.%, концентрированный краситель 1-3 масс.%;
внутренний слой: ориентированные по длине древесные частицы размерами 2-10 мм, 70-80 масс.%, вторичный термопластичный полимер 20-30 масс.%.
2. Установлено увеличение в 1,1 раза прочностных показателей ДПК при
ориентировании древесных частиц внутреннего слоя по длине изделий.
3. Разработан алгоритм выбора технологических параметров
производства ДПК по требуемым эксплуатационным показателям напольного
настила.
Теоретическая и практическая ценность работы.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке, на основе полученных регрессионных зависимостей, алгоритма, позволяющего рассчитать эксплуатационные характеристики древесно-полимерного композита в зависимости от состава, вида древесного наполнителя и полимерного связующего, а также выбрать состав композита в зависимости от требуемых эксплуатационных показателей, предъявляемых к напольному настилу.
Данные, полученные при исследовании производства напольного настила на основе ДПК, методики и результаты экспериментов, полученные автором в рамках данной работы, могут быть использованы при разработке новых изделий из ДПК.
Практическая значимость работы состоит в разработке ресурсосберегающей технологии рационального использования древесных
5 отходов с дальнейшим применением их в качестве наполнителя при производстве напольного настила, обладающего высокими эксплуатационно-качественными характеристиками и прочностными показателями.
На основе результатов моделирований в производство внедрен комплекс по получению напольного настила. Научные результаты и технические решения диссертационной работы апробированы и реализованы на предприятии ЗАО «Синтез–Сандра». Предложенная технология производства половой доски позволила получить годовой экономический эффект более 4 млн. руб. в год. Ожидаемый экономический эффект от внедрения комплекса по производству напольной плиты составляет 2,6 млн. руб. в год.
Разработаны методики испытаний для оценки ударной прочности, удельного сопротивления выдергиванию шурупов и морозостойкости ДПК, которые не предусмотрены нормативно-технической документацией.
Теоретические и экспериментальные исследования процессов получения многослойного напольного настила на основе ДПК используются в учебном процессе по дисциплине «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база
исследования.
Методологической основой исследования являлись положения о
комплексе свойств исходных компонентов, выступающих в качестве основных
факторов, формирующих эксплуатационные свойства напольного покрытия.
Теоретической базой исследований являлись работы ученых по переработке
древесного сырья в древесные композиционные материалы, исследования
эксплуатационно-качественных свойств изделий и результаты лабораторных
испытаний напольного настила по качеству и безопасности, а также нормативные
документы. Эмпирическую базу составлял экспериментальный комплекс для
исследования физико-механических, теплофизических, климатических и
гигроскопических свойств объекта.
Автор защищает.
1. Разработанный состав напольного настила на основе древесных
частиц и полимерного связующего.
2. Алгоритм расчета, позволяющий прогнозировать качественные
свойства изделий в зависимости от содержания и свойств древесного
наполнителя, вида матрицы, а также выбрать состав композита по требуемым
эксплуатационным показателям напольного настила.
3. Технологию изготовления напольного настила, а также полученные
экспериментальные результаты.
4. Результаты промышленной апробации разработанных напольных
настилов.
5. Разработанные методики проведения испытаний изделий,
непредусмотренные нормативно-технической документацией.
Достоверность работы.
Базируется на использовании научно-обоснованных методик проведения
экспериментальных исследований и теории обработки информации. Результаты
испытаний и рекомендации обеспечиваются большим объемом
6
экспериментальных данных, полученных на современных и поверенных
установках, имеющих сертификат качества. Научные результаты согласуются с
известными экспериментальными данными, а также результатами
промышленной апробации.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (Казань, 2012-2014 г.); на международных научно-технических конференциях «Механика технологических процессов в лесном комплексе» (Воронеж, 2014 г.), «Инновационные наукоемкие технологии», (Тула, 2014 г.); «Техника и технология – мост в будущее» (Воронеж, 2014 г.); на IV конференции молодых специалистов «Инновация и молодежь – два вектора развития отечественной нефтехимии» (Нижнекамск, 2014 г.); на международной заочной научно-практической конференции «I Европейский лесопромышленный форум молодежи», (Воронеж, 2014 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2014 г.); на научно-технической конференции молодых ученных «Современные материалы и технологии их создания» (Воронеж, 2014 г.); на всероссийской заочной научно-практической конференции «Математическое и экспериментальное моделирование физических процессов» (Биробиджан, 2014г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы математического образования» (Набережные Челны, 2015г.).
Соответствие работы паспорту научной специальности.
Результаты диссертации соответствуют паспорту специальности 05.21.05
«Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки»: п. 2
«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».
Публикации.
По материалам диссертации опубликованы 16 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и патент РФ.
Объем и структура работы.