Технология модификации древесины березы для создания нейтронозащитных материалов

УДК

539.12.08+699.887.5(022)

DOI:

10.37482/0536-1036-2022-2-159-169

Аннотация

Рассмотрен способ получения нейтронозащитных материалов на основе модифицированной древесины березы. Для создания защиты от нейтронного излучения в атомной промышленности, медицине и военно-промышленном комплексе широко используются материалы на основе полиэтилена с добавлением бора. За счет высокого содержания водорода их применение позволяет защитить объекты от воздействия быстрых нейтронов, а тепловые нейтроны эффективно сдерживаются благодаря наличию в защитных экранах атомов бора. Древесина также является водородосодержащим материалом, поэтому представляет научный и практический интерес создание и исследование свойств нейтронозащитных материалов на ее основе. Наиболее целесообразно создание нейтронозащитных материалов из древесины лиственных пород, характеризующихся высокой удельной плотностью и, соответственно, большим содержанием водорода в единице объема. Увеличить содержание водорода в единице объема древесины, и, следовательно, снизить толщину защитного слоя можно уплотнением древесины способом плоского (одноосного) прессования. Основное условие получения высокопрочной и формоустойчивой прессованной древесины – сохранение ее микроструктуры (без повреждений) во время прессования. Теоретическим путем установлено, что оптимальная степень прессования, при которой наблюдается наименьший процент микроразрушений в древесине, составляет 50 %. В экспериментальной части работы для изготовления опытного нейтронозащитного материала использовали березовые пиломатериалы радиального распила длиной 200 мм, шириной 100 мм и толщиной 80 мм. Получены нейтронозащитные материалы толщиной 40 мм, эквивалентные по содержанию водорода в единице объема защите из полиэтилена толщиной 26,8 мм. усилия, которые могут приводить к появлению трещин, разрушению кромок, выпучиванию, расслаиванию, снижению равномерности распределения плотности. Распирающие усилия действуют в направлении, перпендикулярном действию приложенной нагрузки. Поэтому при изготовлении нейтронозащитного композиционного материала необходимо использовать пресс-формы с боковыми упорами, купирующие воздействие распирающего усилия. Конструктивные параметры пресс-форм и режимы прессования определены с учетом сопротивления, обусловленного силами трения древесины о боковые стенки пресс-формы. Представлена конструкция пресс-формы, обеспечивающая получение из древесины нейтронозащитного материала с заданными свойствами.

---

Данная статья опубликована в режиме открытого доступа и распространяется на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0) • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Сведения об авторах

А.Р. Бирман¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: X-3713-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1693-0515
А.А. Тамби², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: J-9614-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4099-3409
С.А. Угрюмов¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID:F-6510-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8077-3542
П.Р. Гильванов³, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: AAZ-9283-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0051-8857
¹ Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер., д. 5, литер У, Санкт-Петербург, Россия, 194021; e-mail: birman1947@mail.ru, ugr-s@yandex.ru
²Арктический государственный агротехнологический университет, ш. Сергеляхское, 3-й км, д. 3, г. Якутск, Россия, 677007; e-mail: a_tambi@mail.ru
³Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского, ул. Ждановская, д. 13, Санкт-Петербург, Россия, 197198; e-mail: vka_kaf104@mаil.ru

Ключевые слова

нейтронозащитный композиционный материал, модификация древесины, прессование, нагружение, пресс-форма

Для цитирования

Бирман А.Р., Тамби А.А., Угрюмов С.А., Гильванов П.Р. Технология модификации древесины березы для создания нейтронозащитных материалов // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 2. С. 159–169. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-2-159-169

Литература

1. Бирман А.Р., Белоногова Н.А. Нейтронозащитные свойства древесины // Изв. вузов. Лесн. журн. 2008. № 1. С. 101–106. Birman A.R., Belonogova N.A. Neutron-Shielding Wood Characteristics. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2008, no. 1, pp. 101–106. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/279/279bc2fa19ff8f346e3988f2ad6c7849.pdf

2. Бирман А.Р., Белоногова Н.А., Соколова В.А. Нейтронозащитные материалы из древесины // Изв. СП бЛТА . 2015. Вып. 212. С. 176–184. Birman A.R., Belonogova N.A., Sokolova V.A. Neutron Protective Wood Materials. Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj Akademii [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2015, iss. 212, pp. 176–184.

3. Болдырев П.В. Сушка древесины. Практическое руководство. СП б.: ПРО-ФИКС , 2002. 156 с. Boldyrev P.V. Drying of Wood. Practical Guide. Saint Petersburg, PROFIKS Publ., 2002. 156 p.

4. Гончаров Н.А., Башинский В.Ю., Буглай Б.М. Технология изделий из древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1990. 528 с. Goncharov N.A., Bashinskiy V.Yu., Buglay B.M.Technology of Wood Products. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1990. 528 p.

5. Официальный сайт производителя материала Neutrostop АО «Копос колин». Режим доступа: https://www.kopos.ru/sites/default/files/catalog/2017/10/neutrostop.pdf (дата обращения: 13.06.21). The Official Website of the Manufacturer of the Material Neutrostop AO “Kopos kolin”.

6. Патякин В.И., Бирман А.Р. Использование древесины для защиты от нейтронных излучений // Материалы 57-й науч. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та. СП б.: СП бГАСУ , 2000. С. 86–87. Patyakin V.I., Birman A.R. The Use of Wood for Protection from Neutron Radiation. Materials of the 57-th Scientific Conference of Professors, Lecturers, Researchers, Engineers and Postgraduates of the University. Saint Petersburg, SPbGASU Publ., 2000, рр. 86–87.

7. Перелыгин Л.М. Древесиноведение. М.: Сов. наука, 1957. 363 с. Perelygin L.M. Wood Science. Moscow, Sovetskaya nauka Publ., 1957. 363 p.

8. Рыдченко Г.Д. Двустороннее прессование древесины // Исследование конструкций и физико-механических свойств материалов. Воронеж: ВЛТИ , 1967. Т. 31. С. 25–28. Rydchenko G.D. Double-Ended Pressing of Wood. Research of Structures and Physical and Mechanical Properties of Materials. Voronezh, VLTI Publ., 1967, vol. 31, pp. 25–28.

9. Соколова В.А., Бирман А.Р., Орлов В.В., Теппоев А.В., Кривоногова А.С., Бачериков И.В., Парфенопуло Г.К. Использование железо-водных и дерево-железных смесей в защите от ионизирующих излучений // Системы. Методы. Технологии. 2018. № 1(37). с. 94–99. Sokolova V.A., Birman A.R., Orlov V.V., Teppoev A.V., Krivonogova A.S., Bacherikov I.V., Parfenopulo G.K. The Use of Iron-Water and Wood-Iron Mixtures in Protection from Ionizing Radiation. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies], 2018, no. 1(37), pp. 94–99. DOI: https://doi.org/10.18324/2077-5415-2018-1-94-99

10. Соловьева Т.В., Ревяко М.М., Хмызов И.А. Технология древесных композиционных материалов и изделий. Минск: БГТУ , 2008. 180 с. Solov’yova T.V., Revyako M.M., Khmyzov I.A. Technology of Wood Composite Materials and Products. Minsk, BSTU Publ., 2008. 180 p.

11. Тамби А.А., Григорьев И.В., Куницкая О.А. Обоснование необходимости внедрения процессов промышленного лесопиления в структуру лесозаготовительной отрасли // Изв. вузов. Лесн. журн. 2017. № 6. С. 76–88. Tambi A.A., Grigor’ev I.V., Kunitskaya O.A. The Rationale for Implementation of Industrial Sawmilling Processes in the Logging Industry. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2017, no. 6, pр. 76–88. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2017.6.76

12. Уголев Б.Н. Испытания древесины и древесных материалов. М.: Лесн. пром-сть, 1965. 251 с. Ugolev B.N. Testing Wood and Wood Materials. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1965. 251 p.

13. Хухрянский П.Н. Дерево вместо металла. Воронеж: ВГЛТА , 1954. 44 с. Khukhryanskiy P.N. Wood instead of Metal. Voronezh, VGLTA Publ., 1954. 44 p.

14. Хухрянский П.Н. Прессование древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1964. 361 с. Khukhryanskiy P.N. Wood Pressing. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1964. 361 p.

15. Шамаев В.А. Химико-механическое модифицирование древесины. Воронеж: ВГЛТА , 2003. 260 с. Shamayev V.A. Chemical and Mechanical Modification of Wood. Voronezh, VSFTA Publ., 2003. 260 p.

16. Шамаев В.А., Воскобойников И.В., Щелоков В.М. Достижения и проблемы модифицированной древесины // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: тр. IV междунар. евраз. симп. Екатеринбург: УГЛТУ , 2009. С. 224–235. Shamaev V.A., Voskoboynikov I.V., Shchelokov V.M. Achievements and Problems of Modified Wood. Woodworking: Technologies, Equipment, Management of the XXI Century. Proceedings of the IV International Eurasian Symposium. Yekaterinburg, USFEU Publ., 2009, pp. 224–235.

17. Шамаев В.А., Никулина Н.С., Медведев И.Н. Модифицирование древесины. М.: ФЛИ НТА , 2013. 448 с. Shamaev V.A., Nikulina N.S., Medvedev I.N. Wood Modification. Moscow, FLINTA Publ., 2013. 448 p.

18. Шамаев В.А., Скориданов Р.В., Постников В.В. Получение модифицированной древесины с высокими прочностными свойствами // Изв. вузов. Лесн. журн. 2006. № 4. С. 78–83. Shamaev V.A., Skoridanov R.V., Postnikov V.V. Producing Modified Timber with High Strength Properties. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2006, no. 4, pp. 78–83.

19. Шейкман Д.В. Технология модифицирования древесины мягких лиственных пород и березы для напольных покрытий: дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург, 2017. 207 с. Sheykman D.V. Technology of Modifying Deciduous Wood and Birch Wood for Floor Coverings: Cand. Eng. Sci. Diss. Yekaterinburg, 2017. 207 p.

20. Baily P.J., Preston R.D. Some Aspects of Sofwood Permeability. II. Flow of Polar and Non-Polar Liquids through Sapwood and Heartwood of Douglas Fir. Holzforschung, 1970, В. 24, H. 2, pp. 37–45. DOI: https://doi.org/10.1515/hfsg.1970.24.2.37

21. Baker J.M., Morgan Jn-n, Muller E.R., Savory J.C. Manipulation of Double Vacuum Sheduls in Treatment of Scots Pine Sapwood. Record of the 1973 Annual Convention of the British Wood Preserving Association. Cambridge, 1973, pp. 183–199.

22. Bramhall G. The Validity of Darcy Law in the Axial Penetration of Wood. Wood Science and Technology, 1971, vol. 5, iss. 2, pp. 121–134. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01134223

23. Comstock G.L. Longitudinal Permeability of Green Eastern Hemlock. Forest Products Journal, 1965, vol. 15, iss. 10, pp. 441–449.

24. Hammer R.M. De Aethel. Talanta, 1980, vol. 27, no. 6, p. 535.

25. Neutrostop. Export – Import KOVO. Praha, 1985. 5 p.

26. Practical Vacuum Treating Plant for the Retail Lumber Yard. Building Supply News, 1952, no. 1, pp. 58–61.

27. Stamm A.J. Penetration of Hardwoods by Liquids. Wood Science and Technology, 1973, vol. 7, iss. 4, pp. 285–296. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00351074

28. Sucoff E.J., Chen P.Y.S., Hossfeld R.L. Permeabilty of Unseasoned Xylem of Northern White Cedar. Forest Prooducts Journal, 1965, vol. 15, iss. 8, pp. 321–324.

29. Tambi A.A., Ignatenko S.V., Shinkarenko S.Yu., Kul’kov A.M., Grigor’ev I.V., Yurkova O.V., Sazhin V.E. Study of Wood Glued Joints Formed by Urea Melamine Formaldehyde Binders. Polymer Science, Series D, 2019, vol. 12, iss. 1, pp. 51–57. DOI: https://doi.org/10.1134/S1995421219010209