Древесно-композитные плиты с низким коэффициентом линейного теплового расширения. C. 142–151

УДК

621.763

DOI:

10.37482/0536-1036-2024-2-142-151

Аннотация

В целом ряде отраслей промышленности требуются материалы с низким коэффициентом линейного теплового расширения, в частности при производстве спутниковых сферических антенн. Последние формуют из композитов, содержащих углеродные волокна и синтетические смолы. Отверждение композиции происходит за счет нагревания до 180 °С. Это приводит к тепловому расширению формы и изменению геометрических характеристик изделия, поэтому к материалам для изготовления форм предъявляются специфические требования. Высокая стоимость специальных материалов, используемых для форм, предопределяет необходимость поиска других материалов с низким коэффициентом линейного теплового расширения. Древесина является возможным решением данной проблемы. Ее коэффициент линейного теплового расширения вдоль волокон меньше, чем у подавляющего большинства материалов, и составляет примерно 3‧10–6 К^–1, что сопоставимо со специальными материалами. Однако расширение древесины поперек волокон значительно выше продольного, что исключает применение массивной древесины. Анизотропию можно уменьшить за счет создания композита, волокна в котором равномерно ориентированы во всех структурных направлениях, что позволит снизить температурные деформации, приблизив значение расширения древесины поперек волокон к значению расширения вдоль волокон. При традиционном подходе к получению древесных композитов, основанном на использовании синтетических адгезивов, не удается достичь заметного снижения теплового расширения из-за высокого коэффициента линейного теплового расширения клеев. Перспективным является применение плит из гидродинамически активированных древесных частиц без связующих веществ. Проведены 3 серии опытов: с варьированием плотности плит, предварительной термической модификацией исходной древесины и использованием щелочи при гидродинамической обработке. Исследование теплового расширения проводилось на индукционном дилатометре NETZSCH DIL-402 C в динамическом режиме со скоростью нагрева 2 К/мин. Установлено, что с увеличением плотности тепловое расширение возрастает. Средний коэффициент линейного теплового расширения при плотности 950 кг/м3 составляет 12‧10–6 К^–1, а при плотности 1100 кг/м3 – 17‧10–6 К^–1. При сопоставимой плотности тепловое расширение плит без связующих веществ значительно ниже, чем у древесноволокнистых плит (MDF). Предварительная термическая модификация древесины существенно не влияет на коэффициент линейного теплового расширения плит. Также не влияет и использование щелочи в процессе гидродинамической обработки.

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, ст. преподаватель; ResearcherID: ААЕ-8478-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5568-8725
Н.В. Смертин, аспирант; ORCID: https://orcid.org/0009-0003-1566-669X
Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнёва, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», д. 31, г. Красноярск, Россия, 660037; vnermolin@yandex.ru, mihailbayandin@yandex.ru*, namyatov2010@yandex.ru,
kolya.smertin@mail.ru

Ключевые слова

механоактивация, коэффициент линейного теплового расширения, КЛТР, оснастка, древесные плиты без связующих веществ, гидродинамическая обработка, композит

Для цитирования

Ермолин В.Н., Баяндин М.А., Намятов А.В., Смертин Н.В. Древесно-композитные плиты с низким коэффициентом линейного теплового расширения // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 2. С. 142–151. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-2-142-151

Литература

1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2010. 624 с. 

2. Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г., Емельянов С.В., Кадочкина И.А. Влияние кавитационных сил на размол волокон в безножевой установке // Переработка растительного сырья и утилизация отходов: cб. тр. Красноярск, 1995. Вып. 2. С. 158–161. 

3. Баяндин М.А., Ермолин В.Н., Елисеев С.Г. Влияние механоактивации на аутогезионные свойства древесины // Хвойные бореал. зоны. 2013. Т. XXI, № 1–2. С. 159–163. 

4. Белоглазов А.П., Габов А.В., Елистратов В.И. Перспективы конструирования оправок с малым КЛТР для изготовления рефлекторов // Решетнев. чтения. 2014. Ч. 1. С. 49–50. 

5. Биткин В.Е., Жидкова О.Г., Комаров В.А. Выбор материалов для изготовления размеростабильных несущих конструкций // Вестн. Самар. ун-та. Аэрокосм. техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17, № 1. С. 100–117. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2018-17-1-100-117

6. Бокщанин Ю.Р. Новое в лесопилении и использовании отходов за рубежом. М.: Лесн. пром-сть, 1969. 122 с. 

7. Вараксин Ф.Д., Ступнев Г.К. Основные направления технического прогресса лесной и деревообрабатывающей промышленности. М.: Лесн. пром-сть, 1974. 400 с. 

8. Ермолин В.Н., Баяндин М.А., Казицин С.Н., Намятов А.В. Формирование структуры плит малой плотности из гидродинамически активированных мягких отходов деревообработки // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 5. С. 148–157. https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.5.148

9. Ермолин В.Н., Баяндин М.А., Казицин С.Н., Намятов А.В., Острякова В.А. Водостойкость древесных плит, получаемых без использования связующих веществ // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 3. С. 151–158. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-3-151-158

10. Киселева О.А., Ярцев В.П. Влияние плотности на термическое расширение древесных плит // Актуальные проблемы современного строительства: сб. тр. Пенза: ПГАСА, 2003. Ч. 2. С. 63–66.

11. Эриньш П.П. Строение и свойства древесины как многокомпонентной полимерной системы // Химия древесины. 1977. № 1. С. 8–25.

12. Эриньш П.П., Алксне И.М. Проникновение мономера в клеточные стенки древесины // Химия древесины. 1970. Вып. 6. С. 9–17.

13. Alemdar A., Sain M. Biocomposites from Wheat Straw Nanofibers: Morphology, Thermal and Mechanical Properties. Composites Science and Technology, 2008, vol. 68, iss. 2, pp. 557–565. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2007.05.044

14. Badel E., Delisee C., Lux J. 3D Structural Characterisation, Deformation Measurements and Assessment of Low-Density Wood Fibreboard under Compression: The Use of X-Ray Microtomography. Composites Science and Technology, 2008, vol. 68, iss. 7–8, pp. 1654–1663. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.02.013

15. Cervin N.T., Andersson L., Ng J.B.S., Olin P., Bergström L., Wågberg L. Lightweight and Strong Cellulose Materials Made from Aqueous Foams Stabilized by Nanofibrillated Cellulose. Biomacromolecules, 2013, vol. 14, iss. 2, pp. 503–511. https://doi.org/10.1021/bm301755u

16. Hendershot O.P. Thermal Expansion of Wood. Science, 1924, vol. 60, iss. 1559, pp. 456–457. https://doi.org/10.1126/science.60.1559.456

17. Hidaka H., Kim U.-J., Wada M. Synchrotron X-Ray Fiber Diffraction Study on the Thermal Expansion Behavior of Cellulose Crystals in Tension Wood of Japanese Poplar in the Low-Temperature Region. Holzforschung, 2010, vol. 64, iss. 2, pp. 167–171. https://doi.org/10.1515/hf.2010.028

18. Hori R., Wada M. The Thermal Expansion of Wood Cellulose Crystals. Cellulose, 2005, vol. 12, pp. 479–484. https://doi.org/10.1007/s10570-005-5967-5

19. Ramiah M.V., Goring D.A.I. The Thermal Expansion of Cellulose, Hemicellulose, and Lignin. Journal of Polymer Science Part C: Polymer Symposia, 1965, vol. 11, iss. 1, pp. 27–48. https://doi.org/10.1002/polc.5070110105

20. Villari E.M. Sur le Propriétés Physiques du Bois Conpé Parallèment ou Transversalement aux Fibres. Annales de Chimie et de Physique, 1868, vol. 14, pp. 503–504. (In French).