Структурно-механические свойства гидродинамически активированной древесной массы в аддитивных технологиях. C. 121–131

УДК

674.817

DOI:

10.37482/0536-1036-2023-2-121-131

Аннотация

Аддитивные технологии методом 3D-печати являются перспективным направлением развития малоэтажного домостроения. Для этого используют различные материалы. Проведено исследование возможности применения в качестве материала для 3D-печати гидродинамически активированной древесной массы. Измельченная древесина в процессе активации под воздействием эффекта кавитации изменяет свое физико-химическое состояние. Данная древесная масса представляет собой твердообразную дисперсную систему, свойства которой зависят от влажности. Такую древесную массу можно транспортировать по трубопроводам, структурообразование происходит в процессе удаления влаги за счет возникновения аутогезионных взаимодействий между древесными частицами без использования адгезивов. Полученный таким образом материал имеет достаточно высокие прочность и водостойкость, что послужило предпосылкой для использования активированной древесной массы в аддитивных технологиях. Формирование изделия методом 3D-печати происходит путем послойного нанесения материала с определенными временными интервалами. Обязательным условием при этом является обеспечение стабильной формы и однородности структуры. Поэтому были выполнены исследования по определению предела ползучести древесной массы, показывающего величину напряжений, при превышении которых начинается интенсивное пластическое деформирование материала (течение). Данное исследование проводилось по методике академика П.А. Ребиндера с использованием конического пластометра. Изученный показатель существенно зависит от влажности массы. При снижении влажности предел ползучести значительно возрастает. Полученная зависимость является основой для научно-обоснованного определения толщины наносимых слоев и временных промежутков между нанесениями. Однородность структуры в межслойной зоне определяет прочность всего изделия и обеспечивается влажностью в зоне контакта не менее 400 %. Создать высокую влажность в зоне контакта при низкой средней влажности массы можно за счет обработки СВЧ-излучением. В результате такой обработки происходит перераспределение влажности по толщине слоя. На поверхности она увеличивается, а в центре – снижается.

Сведения об авторах

В.Н. Ермолин, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: X-9597-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2113-4142
М.А. Баяндин*, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: S-1990-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6228-2715
А.В. Намятов, ассистент; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5568-8725
В.А. Острякова, ст. лаборант; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1666-0324
Сибирский государственный университет науки и технологий им. М.Ф. Решетнёва, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», д. 31, г. Красноярск, Россия, 660031; vnermolin@yandex.ru, mihailbayandin@yandex.ru*, namyatov2010@yandex.ru,
karmen0703@yandex.ru

Ключевые слова

влажность древесной массы, однородность древесной массы, пластомер, предел ползучести древесной массы, аддитивные технологии, экструдирование смеси, аутогезия, пьезотермическое воздействие, 3D-печать

Для цитирования

Ермолин В.Н., Баяндин М.А., Намятов А.В., Острякова В.А. Структурно-механические свойства гидродинамически активированной древесной массы в аддитивных технологиях // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 2. С. 121–131. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-2-121-131

Литература

1. Аведиков А.С., Остриков М.С., Дибров Г.Д. Об усадочном напряжении в дисперсных структурах // Докл. АН СССР. 1965. Т. 163, № 5. С. 1185–1188. 

2. Артёмов А.В., Бурындин В.Г., Савиновских А.В. Влияние карбамида на физико-механические свойства пластика на основе сосновых опилок // Вестн. технол. ун-та. 2021. Т. 24, № 5. С. 35–39. 

3. Базарнова Н.Г., Маркин В.И., Катраков И.Б., Колосов П.В., Калюта Е.В., Чепрасова М.Ю. Методы получения лигноуглеводных композиций из химически модифицированного растительного сырья // Рос. хим. журн. 2011. Т. 55, № 1. С. 4–9. 

4. Ефремов А.А. Влияние условий термокаталитической активации древесины осины на состав водорастворимых продуктов // Химия природ. соединений. 1995. № 6. С. 20–25. 

5. Казицин С.Н. Получение древесных плит без связующих веществ из механо-активированных древесных частиц: дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург, 2017. 132 с. 

6. Карасев Е.И., Киселев И.Ю., Мерсов Е.Д., Киселева Г.В. Водостойкость древесноволокнистых плит. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1986. 32 с. 

7. Кондрашенко В.И., Тарарушкин Е.В., Горшина Е.С., Кесарийский А.Г. Биопластики – древесные композиционные материалы, получаемые методами биотехнологии // Вестн. ДонНАСА. 2012. № 1(93). С. 17–24. 

8. Намятов А.В., Баяндин М.А., Казицин С.Н., Ермолин В.Н. Исследование свойств плит малой плотности из механоактивированных древесных частиц без использования связующих веществ // Строение, свойства и качество древесины – 2018: материалы VI Междунар. симп. им. Б.Н. Уголева, посвящ. 50-летию Регионального Координационного совета по современным проблемам древесиноведения, Красноярск, 10–16 сент. 2018 г. Новосибирск: СО РАН, 2018. С. 149–151. 

9. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. Избр. тр. М.: Наука, 1979. 384 с.

10. Bos F., Wolfs R., Ahmed Z., Salet T. Additive Manufacturing of Concrete in Construction: Potentials and Challenges of 3D Concrete Printing. Virtual and Physical Prototyping, 2016, vol. 11, no. 3, pp. 209–225. https://doi.org/10.1080/17452759.2016.1209867

11. Correa D., Papadopoulou A., Guberan C., Jhaveri N., Reichert S., Menges A., Tibbits S. 3D printed Wood: Programming Hygroscopic Material Transformations. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2015, vol. 2, no. 3, pp. 106–116. https://doi.org/10.1089/3dp.2015.0022

12. Feng P., Meng X., Chen J.-F., Ye L. Mechanical Properties of Structures 3D Printed with Cementitious Powders. 3D Concrete Printing Technology, Elsevier, 2019, pp. 181–209. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815481-6.00009-9

13. Ferretti E., Moretti M., Chiusoli A., Naldoni L., de Fabritiis F., Visonà M. Rice-Husk Shredding as a Means of Increasing the Long-Term Mechanical Properties of Earthen Mixtures for 3D Printing. Materials, 2022, vol. 15, no. 3, p. 743. https://doi.org/10.3390/ma15030743

14. Forss K. Biotechnology in the Forest Industry. Bioconversion of Plant Raw Material by Microorganisms: Proceedings of the 5th Finnish-Soviet Seminar. Helsinki, University of Helsinki, 1983, pp. 13–21.

15. Kirk T.K., Shimada M. Lignin Biodegradation: The Microorganisms Involved and the Physiology and Biochemistry of Degradation by White-Rot Fungi. Biosynthesis and Biodegradation of Wood Components, Elsevier, 1985, pp. 579–605. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-347880-1.50025-8

16. Le Duigou A., Castro M., Bevan R., Martin N. 3D Printing of Wood Fibre Biocomposites: From Mechanical to Actuation Functionality. Materials and Design, 2016, vol. 96, pp. 106–114. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.02.018

17. Min K.-S., Park K.-M., Lee B.-C., Roh Y.-S. Chloride Diffusion by Build Orientation of Cementitious Material-Based Binder Jetting 3D Printing Mortar. Materials, 2021, vol. 14, no. 23, p. 7452. https://doi.org/10.3390/ma14237452

18. Perrot A., Rangeard D., Pierre A. Structural Built-Up of Cement-Based Materials Used for 3D Printing Extrusion Techniques. Materials and Structures, 2016, vol. 49, no. 4, pp. 1213–1220. https://doi.org/10.1617/s11527-015-0571-0

19. Unbehaun H., Konig S., Spindler D., Kerns G. Enzymatic Modification of Lignocellulosic Substances for the Production of Fiberboards. Moscow University Chemistry Bulletin, 2008, vol. 63, no. 2, pp. 126–130. https://doi.org/10.3103/S002713140802017X

20. Velásquez J.A., Ferrando F., Salvadó J. Binderless Fiberboard from Steam Exploded Miscanthus Sinensis: The Effect of a Grinding Process. European Journal of Wood and Wood Products, 2002, vol. 60, no. 4, pp. 297–302. https://doi.org/10.1007/s00107-002-0304-2

21. Velásquez J.A., Ferrando F., Salvadó J. Binderless Fiberboard from Steam Exploded Miscanthus Sinensis: Optimization of Pressing and Pretreatment Conditions. Wood Science and Technology, 2003, vol. 37, no. 3-4, pp. 279–286. https://doi.org/10.1007/s00226-003-0186-4