Исследование физико-механических и рентгенозащитных свойств деревокомпозиционного слоистого материала «Фанотрен Б»

УДК

674.419

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.3.110

Аннотация

Изучены физико-механические и рентгенозащитные свойства нового композиционно-го материала на основе древесины «Фанотрен Б», состоящего из чередующихся слоев лущеного березового шпона и армирующих рентгенозащитных слоев. Последние представляют собой нетканый материал – синтепон, пропитанный рентгенозащитным составом. Новый композит рекомендуется использовать в местах с повышенным радиационным фоном в качестве конструкционного и отделочного материала, который не содержит в своем составе свинец. Перед нами стояли следующие задачи: исследовать напряженно-деформированное состояние этого материала, определить рациональную рецептуру пропитывающего состава для рентгенозащитного слоя и оценить его физико-механические свойства. Соотношение «напряжение–деформация» материала моделировали методом конечных элементов, физико-механические свойства оценивали по стандартным методикам, защитные свойства рентгенозащитного слоя – величиной свинцового эквивалента по прозрачности изображения на рентгенограмме с использованием люксметра. Показано, что поведение фанеры, армированной рентгенозащитными слоями, под действием внешней нагрузки достаточно точно описывается дифференциальным уравнением изгиба пластин. Моделирование осуществляли на твердотельной модели, которая учитывала механические свойства материалов, входящих в конструкцию, и схему укладки слоев шпона. Установлено, что уменьшение толщины рентгенозащитных слоев ведет к увеличению прогибов и напряжений. Компьютерная модель отразила рост напряжений в местах склеивания материала. Экспериментально определены: состав пропитывающей композиции (минеральный наполнитель – 51 %, связующее – 26 %, вода – 23 %) и технологические режимы формирования материала (расход связующего – 176 г/м², температура прессования – 50 ºС, продолжительность склеивания – 8 мин). Материал толщиной 9,5 мм имеет плотность 1600 кг/м³; свинцовый эквивалент составляет 0,54 мм Pb/мм; прочность при статическом изгибе вдоль наружных слоев – 39 МПа, при скалывании по клеевому слою – 1,34 МПа, при растяжении вдоль волокон – 53 МПа.

Сведения об авторах

И.В. Яцун, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: G-7651-2019, ORCID: 0000-0003-3195-2410
А.Г. Гороховский, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-6030-2018, ORCID: 0000-0001-8847-8217
С.А. Одинцева, канд. техн. наук, ст. преподаватель; ResearcherID: G-7837-2019, ORCID: 0000-0002-6765-3941
Уральский государственный лесотехнический университет, ул. Сибирский тракт, д. 37, г. Екатеринбург, Россия, 620100; e-mail: iryatsun@mail.ru

Ключевые слова

композиционный материал, армированная фанера, защита от рентгеновского излучения, защита от ионизирующего излучения, слоистый древесный материал, композиционная фанера, напряженно-деформированное состояние, физико-механические свойства

Для цитирования

Яцун И.В., Гороховский А.Г., Одинцева С.А. Исследование физико-механических и рентгенозащитных свойств деревокомпозиционного слоистого материала «Фанотрен Б» // Лесн. журн. 2019. № 3. С. 110–120. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.3.110

Литература

1. Абушенко А.В. Что такое композиционные материалы? Режим доступа: http:// www.dpk-deck.ru/page/compositi-opred.html (дата обращения: 25.01.2019).
2. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Принятие оптимальных решений: теория и при-менение в лесном комплексе. Йожсуу, Финляндия: Изд-во ун-та Йоэнсуу, 1999. 200 с.
3. Ветошкин Ю.И., Коцюба И.В., Яцун И.В., Одинцева С.А. Общий подход к расчету напряженного деформированного состояния композиционного слоистого материала «Фанотрен Б» с защитными свойствами от рентгеновского излучения // Вестн. МГУЛ–Лесн. вестн. 2007. № 8. С. 149–152.
4. Ветошкин Ю.И., Яцун И.В., Коцюба И.В. Эксплуатационные свойства композиционных материалов на основе древесины: моногр. Екатеринбург: УГЛТУ, 2018. 100 с.
5. Ветошкин Ю.И., Яцун И.В., Цой Ю.И. Композиционный слоистый материал «Фанотрен» // Изв. СПбЛТА. 2015. Вып. 210. С. 149–156.
6. Волынский В.Н. Технология клееных материалов: учеб. пособие. Архан-гельск: Изд-во АГТУ, 1998. 295 с.
7. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. М.; Л.: Гос. науч.-техн. изд-во энергет. лит., 1963. 336 с.
8. Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов: курс лекций. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2007. 241 с.
9. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология: учеб. М.: Техносфера, 2004. 408 с.
10. Одинцева С.А., Исаков С.Н., Яцун И.В. Анализ напряженно-деформированного состояния слоистого материала специального назначения на основе древесины // Деревообраб. пром-сть, 2017. № 4. С. 34–39. 11. Сидоров В.Н. Лекции по сопротивлению материалов и теории упругости. М.: Ред.-изд. центр Ген. штаба ВС РФ, 2002. 352 с.
12. Яцун И.В., Ветошкин Ю.И., Шишкина С.Б. Применение отходов деревоперера-батывающих производств в изготовлении конструкционных материалов со специфиче-скими свойствами // Лесотехн. журн. 2014. Т. 4, № 3(15). С. 220–229. DOI: 10.12737/6294
13. Bekhta P., Salca E.-A. Influence of Veneer Densification on the Shear Strength and Temperature Behavior inside the Plywood during Hot Press // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 162. Pp. 20–26. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.11.161
14. Bekhta P., Sedliacik Y. Effect of Surface Treatment on Bondability of Birch Veneer with PF Resin // International Wood Products Journal. 2015. Vol. 6, iss. 2. Pр. 49–52. DOI: 10.1179/2042645314y.0000000089
15. Gilbert B.P. Compressive Strength Prediction of Veneer-Based Structural Prod-ucts // Journal of Materials in Civil Engineering. 2018. Vol. 30, iss. 9. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002417
16. Kajaks J., Kalnins K., Reihmane S., Bernava A. Recycled Thermoplastic Polymer Hot Melts Utilization for Birch Wood Veneer Bonding // Progress in Rubber Plastics and Recycling Technology. 2014. Vol. 30, iss. 2. Pp. 87–102. DOI: 10.1177/147776061403000202 17. Popovska V.J., Antonovic A., Iliev B. Compressive Strength of Composite Wood-Based Panels // 26th International Conference on Wood Science and Technology (ICWST) Implementation of Wood Science in Woodworking Sector, 2015. Zagreb: Šumarski fakultet, 2015. Pp. 111–117.
18. Popovska V.J., Iliev B., Zlateski G. Impact of Veneer Layouts on Plywood Ten-sile Strength // Drvna Industrija. 2017. Vol. 68(2). Pр. 153–161. DOI: 10.5552/drind.2017.1634
19. Shamaev V., Efimova T., Ishchenko T. Production of High Strength Plywood from Birch Wood // Acta Facultatis Xylologiae Zvolen. 2018. Vol. 60(2). Pр. 135–141. DOI: 10.17423/afx.2018.60.2.13
20. Spulle U., Lipinskis I., Tuherm H. Some Bending Properties of I-Joists Made with Birch Laminated Plywood Panels // Drewno. 2017. Vol. 60, nr. 200. Pp. 125–134. DOI: 10.12841/wood.1644-3985.157.09

Поступила 30.01.19

Ссылка на английскую версию:

Study of Physical and Mechanical and X-Ray Protection Properties of Wood-Based Composite Laminated Material “Fanotren B”

UDC 674.419
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.3.110

Study of Physical and Mechanical and X-Ray Protection Properties of Wood-Based Composite Laminated Material “Fanotren B”

I.V. Yatsun, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: G-7651-2019, ORCID: 0000-0003-3195-2410
A.G. Gorokhovskiy, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: O-6030-2018, ORCID: 0000-0001-8847-8217
S.A. Odintseva, Candidate of Engineering, Senior Lecturer; ResearcherID: G-7837-2019, ORCID: 0000-0002-6765-3941
Ural State Forest Engineering University, ul. Sibirskiy trakt, 37, Yekaterinburg, 620100, Russian Federation; e-mail: iryatsun@mail.ru

Physical and mechanical and x-ray protection properties of new wood-based composite material “Fanotren B”, which consist of alternating layers of peeled birch veneer and reinforcing x-ray protective layers, are studied. The x-ray protective layer is nonwoven fabric – sintepon impregnated with x-ray protective composition; consist of barium sulfate, adhesive based on polyvinyl acetate dispersion and water. The material is recommended to be used in construction and decoration of premises in the areas with high radiation background. A distinctive feature of the developed material is the absence of lead and materials based on it. We had the following research objectives: to study the stress strain behavior of the material; to determine the balanced formulation of saturating composition for the x-ray protective layer; to evaluate its physical and mechanical properties. The stress – strain ratio of the ma-terial was simulated by the finite element method, the physical and mechanical properties were evaluated by the standard methods, the protective properties of the x-ray protective layer were measured by the lead equivalent of the image transparency on the radiograph with the use of lux meter. Theoretical studies have shown that the behavior of metal faced plywood under external load is described by the Sophie Germain’s equation with acceptable accuracy. The modeling was carried out on a solid model, which took into account mechani-cal properties of the materials included in the design and scheme of laying out the veneer layers. The developed model of the stress strain behavior has showed that the decrease of the protective layer thickness leads to the increase of deflections and stresses in it. Computer simulation revealed the stress increase in the areas of bonding the material protective layer and outer side of veneer. The impregnating composition was determined experimentally: mineral filler content is 51 %, binder content is 26 %, and water content is 23 %. The technological modes of composite laminated material formation were determined: binder consumption is 176 g/m²; pressing temperature is 50 ºС; gluing time is 8 min. The material with the thickness of 9.5 mm has density of 1600 kg/m³; a lead equivalent is 0.54 mm Pb/mm; cross-breaking strength along the outer layers is 39 MPa; shear strength along the adhesive layer is 1.34 MPa; tensile strength along the fibers is 53 MPa.

For citation: Yatsun I.V., Gorokhovskiy A.G., Odintseva S.A. Study of Physical and Mechani-cal and X-Ray Protection Properties of Wood-Based Composite Laminated Material “Fanotren B”. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2019, no. 3, pp. 110–120. DOI: 10.17238/ issn0536-1036.2019.3.110
Keywords: composite material, metal faced plywood, X-ray protection, ionizing radiation protection, laminated wood-based material, composite plywood, stress strain behavior, physical and mechanical properties

REFERENCES

1. Abushenko A.V. What are Composite Materials? Available at: http://www.dpk-deck.ru/page/compositi-opred.html (accessed 25.01.19).
2. Andreev V.N., Gerasimov Yu.Yu. Making Optimal Decisions: Theory and Appli-cation in the Forest Complex. Finland, Joensuu University Publ., 1999. 200 p.
3. Vetoshkin Yu.I., Kotsyuba I.V., Yatsun I.V., Odintseva S.A. General Approach to the Calculation of the Stress Strain Behavior of the Composite Material “Fanotren B” with the X-Ray Protective Properties. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa – Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2007, no. 8, pp. 149–151.
4. Vetoshkin Yu.I., Yatsun I.V., Kotsyuba I.V. Operational Properties of Wood-Based Composite Materials: Monography. Yekaterinburg, USFEU Publ., 2018. 100 p.
5. Vetoshkin Yu.I., Yatsun I.V, Tsoy Yu.I. Composite Laminated Material «Fanotren». Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj Akademii [News of the Saint Pe-tersburg State Forest Technical Academy], 2015, no. 210, pp. 149–156.
6. Volynskiy V.N. Technology of Laminated Materials. Arkhangelsk, ASTU Publ., 1998. 229 p.
7. Golubev B.P. Dosimetry and Ionizing Radiation Protection. Moscow, Gosudar-stvennoye nauchno-tekhnicheskoye izdatel’stvo energeticheskoy literatury, 1963. 336 p.
8. Leonov V.V., Artem’yeva O.A., Kravtsova E.D. Materials Science and Technolo-gy of Composite Materials: Lecture Course. Krasnoyarsk, SibFU Publ., 2007. 241 p.
9. Matthews F.L., Rawlings R.D. Composite Materials. Engineering and Science. Moscow, Technosphera Publ., 2004. 408 p.
10. Odintseva S.A., Isakov S.N., Yatsun I.V. Analysis of Stress Strain Behavior of Wood-Based Laminated Material of Special Purpose. Derevoobrabativaushaya promishlen-nost’ [Woodworking Industry], 2017, no. 4, pp. 34–40.
11. Sidorov V.N. Lectures on Mechanics of Materials and Theory. Moscow, Printing and Publications Center of the General Staff of the Armed Forces of the Russian Federation, 2002. 352 p.
12. Yatsun I.V., Vetoshkin Y.I., Shishkin S.B. Application of Waste Wood of Processing Industries in the Manufacture of Construction Materials with Specific Properties. Lesotehniceskij zurnal [Forestry Engineering Journal], 2014, vol. 4, no. 3(15), pp. 220–229.
13. Bekhta P., Salca E.-A. Influence of Veneer Densification on the Shear Strength and Temperature Behavior inside the Plywood during Hot Press. Construction and Building Materials, 2018, vol. 162, pp. 20–26. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.11.161
14. Bekhta P., Sedliacik Y. Effect of Surface Treatment on Bondability of Birch Veneer with PF Resin. International Wood Products Journal, 2015, vol. 6, iss. 2, рр. 49–52. DOI: 10.1179/2042645314y.0000000089
15. Gilbert B.P. Compressive Strength Prediction of Veneer-Based Structural Prod-ucts. Journal of Materials in Civil Engineering, 2018, vol. 30, iss. 9. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002417
16. Kajaks J., Kalnins K., Reihmane S., Bernava A. Recycled Thermoplastic Polymer Hot Melts Utilization for Birch Wood Veneer Bonding. Progress in Rubber Plastics and Recycling Technology, 2014, vol. 30, iss. 2, pp. 87–102. DOI: 10.1177/ 147776061403000202
17. Popovska V.J., Antonovic A., Iliev B. Compressive Strength of Composite Wood-Based Panels. 26th International Conference on Wood Science and Technology (ICWST) Implementation of Wood Science in Woodworking Sector, 2015. Zagreb, Šumarski fakultet, 2015, pp. 111–117.
18. Popovska V.J., Iliev B., Zlateski G. Impact of Veneer Layouts on Plywood Tensile Strength. Drvna Industrija, 2017, vol. 68(2), рр. 153–161. DOI: 10.5552/drind.2017.1634
19. Shamaev V., Efimova T., Ishchenko T. Production of High Strength Plywood from Birch Wood. Acta facultatis xylologiae Zvolen, 2018, vol. 60(2), рр. 135–141. DOI: 10.17423/afx.2018.60.2.13
20. Spulle U., Lipinskis I., Tuherm H. Some Bending Properties of I-Joists Made with Birch Laminated Plywood Panels. Drewno, 2017, vol. 60, nr. 200, pp. 125–134. DOI: 10.12841/wood.1644-3985.157.09

Received on January 30, 2019