Удельные энергетические затраты на измельчение древесины при подготовке композита для 3D-печати. С. 159–176

УДК

678.046.52

DOI:

10.37482/0536-1036-2024-4-159-176

Аннотация

Северо-Западный федеральный округ – регион России, богатый разнообразными породами древесины. Свойства древесины этого региона существенно отличаются от свойств древесины, выращенной в других странах или в восточной части России, что приводит к различиям в энергетических затратах на измельчение древесины. Целью данного исследования является оценка удельных энергетических затрат на измельчение древесины до состояния древесной муки, которая будет использоваться в качестве основы для древесно-полимерных композиционных расходных материалов в аддитивных технологиях. Древесную муку получали путем измельчения древесины в лабораторной дисковой мельнице, многократно уменьшая размер частиц. Анализ гранулометрического состава проводили для древесины бука, дуба, лиственницы, ольхи и сосны при 1, 3, 5 и 10 циклах измельчения. Размеры частиц определяли путем анализа изображений, полученных с помощью оптического микроскопа и обработанных в графической программе ImageJ. Удельные энергетические затраты на измельчение оценивали путем ежесекундной регистрации мощности ваттметром при многократной подаче древесной муки для известной производительности мельницы. При расчете удельного энергопотребления учитывали влажность каждой породы древесины, а также потери производительности, связанные с налипанием частиц древесины на рабочие поверхности диспергирующей гарнитуры и внутренней области корпуса дисковой мельницы. В результате исследования выявлена связь между удельными энергетическими затратами и размером частиц древесной муки, полученной из различных пород древесины. Регрессионный анализ кривых, соответствующих различным породам древесины, позволил получить экспоненциальные и степенные зависимости, которые не противоречат основополагающим теоретическим закономерностям измельчения твердых частиц. На основании этих результатов мука из древесины сосны была признана наиболее энергоэффективным вариантом. Установленные зависимости можно использовать для прогнозирования удельных энергозатрат на измельчение древесины бука, дуба, лиственницы, ольхи и сосны на дисковых мельницах.

Сведения об авторах

Н.П. Мидуков^1*, д-р техн. наук; ResearcherID: H-2514-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6153-655X
Н.В. Евдокимов¹, ст. преподаватель; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8875-3493
В.С. Куров¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: V-7289-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7168-9613
В.В. Коршунов², техн. директор; ResearcherID: JHT-5558-2023, ORCID: https://orcid.org/0009-0008-5259-5196
¹Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, ул. Ивана Черных, д. 4, Санкт-Петербург, Россия, 198095; mnp83@mail.ru*, nikoev@rambler.ru, vskurov18@mail.ru
²ООО «ДробТехМаш», ул. Центральная, д. 57, оф. 337, г. Уфа, Россия, 450024; korshunof@bk.ru

Ключевые слова

древесная мука, древесно-полимерный композит, размол древесины, удельные энергетические затраты, распределение частиц по размерам

Для цитирования

Мидуков Н.П., Евдокимов Н.В., Куров В.С., Коршунов В.В. Удельные энергетические затраты на измельчение древесины при подготовке композита для 3D-печати // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 4. С. 159–176. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-4-159-176

Литература

1. Алашкевич Ю.Д., Юртаева Л.В., Решетова Н.С., Марченко Р.А. Влияние ножевого способа размола волокнистой массы на процесс получения порошковой целлюлозы // Химия растит. сырья. 2020. № 4. С. 493–499. https://doi.org/10.14258/jcprm.2020048121

2. Борисов Н.А. Производство древесной муки тонкого помола. М., 1964. 21 с. 

3. Гаузе А.А., Гончаров В.Н. Основы теории и расчета оборудования для подготовки бумажной массы. СПб., 2017. Ч. I. 84 с. 

4. Клесов А.А. Древесно-полимерные композиты. СПб.: Науч. основы и технологии, 2010. 735 с. 

5. Леонович А.А. Физико-химические основы образования древесных плит. СПб.: Химиздат, 2003. 192 с. 

6. Леонович А.А. Технология древесных плит: прогрессивные решения. СПб.: Химиздат, 2005. 206 с.

7. Леонович А.А. Новые древесноплитные материалы. СПб.: Химиздат, 2008. 158 с.

8. Липилин А.Б., Векслер М.В., Коренюгина Н.В., Морозов А.М., Кононов Г.Н., Косарев К.Л., Кудряшов А.В. Тонкий помол и сушка древесного сырья в вихревой мельнице-нагревателе // Вестн. МГУЛ – Лесн. вестн. 2013. № 3. С. 139–144. 

9. Мидуков Н.П., Куров В.С., Евдокимов Н.В. Биорефайнинг древесноволокнистого сырья в композиции материала для аддитивных технологий // Хим. волокна. 2023. № 1. С. 66–72. https://doi.org/10.1007/s10692-023-10426-6

10. Морозов А.М., Кононов Г.Н., Косарев К.Л., Кудряшов А.В. Использование сканирующей электронной микроскопии для изучения нанопористой структуры продуктов переработки древесины // Вестн. МГУЛ – Лесн. вестн. 2013. № 2. С. 72–76. 

11. Патент 2318655 РФ, МПК B27L11/06, A23K1/12. Способ получения древесной муки: № 2006123183/12: заявл. 29.06.2006: опубл. 10.03.2008 / А.А. Политов, О.В. Бершак, О.И. Ломовский.

12. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. 2-е изд., перераб. М.: Химия, 1977. 368 с.

13. Спиглазов А.В., Ставров В.П. Влияние размеров древесных частиц и степени наполнения на текучесть композиций с полипропиленом // Пласт. массы. 2004. № 12. С. 50–52. 

14. Хинт И.А., Кузьминов В.А. Производство силикальцита и его применение в жилищном строительстве. Таллин, 1958. 216 с. 

15. Цывин М.М., Котцов С.Г., Шмаков И.В. Производство древесной муки. М.: Лесн. пром-сть, 1982. 134 с. 

16. Чистова Н.Г., Матыгулина В.Н., Алашкевич Ю.Д. Подготовка древесноволокнистых полуфабрикатов в ножевых размалывающих машинах различной модификации // Химия растит. сырья. 2020. № 4. С. 459–466. https://doi.org/10.14258/jcprm.2020048189

17. Aliev S.S., Egamberdiev E.A., Akmalova G.Yu., Ilkhamov G.Yu. Analysis of Physical-Mechanical Properties of New Type of Wood-Polymer Composite Materials. Harvard Educational and Scientific Review, 2023, vol. 3, iss. 1, pp. 48–53.

18. Delviawan A., Kojima Y., Kobori H., Suzuki S., Aoki K., Ogoe S. The Effect of Wood Particle Size Distribution on the Mechanical Properties of Wood–Plastic Composite. Journal of Wood Science, 2019, vol. 65, art. no. 67. https://doi.org/10.1186/s10086-019-1846-9

19. Karinkanta P., Ämmälä A., Illikainen M., Niinimäki J. Fine Grinding of Wood – Overview from Wood Breakage to Applications. Biomass and Bioenergy, 2018, vol. 113, pp. 31–44. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2018.03.007

20. Pokhrel G., Gardner D.J., Han Y. Properties of Wood–Plastic Composites Manufactured from Two Different Wood Feedstocks: Wood Flour and Wood Pellets. Polymers, 2021, vol. 13, no. 16, art. no. 2769. https://doi.org/10.3390/polym13162769

21. Pokhrel G., Han Y., Gardner D.J. Comparative Study of the Properties of Wood Flour and Wood Pellets Manufactured from Secondary Processing Mill Residues. Polymers, 2021, vol. 13, no. 15, art. no. 2487. https://doi.org/10.3390/polym13152487

22. Pušnik Črešnar K., Fras Zemljič L., Slemenik Perše L., Bek M. Effect of Wood Fiber Loading on the Chemical and Thermo-Rheological Properties of Unrecycled and Recycled Wood-Polymer Composites. Applied Sciences, 2020, vol. 10, no. 24, art. no. 8863. https://doi.org/10.3390/app10248863

23. Rajaonariony K.R., Mayer-Laigle C., Piriou B., Rouau X. Comparative Comminution Efficiencies of Rotary, Stirred and Vibrating Ball-Mills for the Production of Ultrafine Biomass Powders. Energy, 2021, vol. 227, art. no. 120508. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120508

24. Sturges H.A. The Choice of a Class Interval. Journal of the American Statistical Association, 1926, vol. 21, iss. 153, pp. 65–66. https://doi.org/10.1080/01621459.1926.10502161

25. Wang J., Gao J., Brandt K.L., Wolcott M.P. Energy Consumption of Two-Stage Fine Grinding of Douglas-Fir Wood. Journal of Wood Science, 2018, vol. 64, pp. 338–346. https://doi.org/10.1007/s10086-018-1712-1