Слоистый материал специального назначения на основе древесины

Актуальность темы

Ионизирующее излучение является вредным и опасным для здоровья и жизни живых организмов. Поэтому в местах использования этого вида электромагнитного излучения предусматривается использование соответствующей защиты.

Общепринятой защитой являются материалы на основе свинца, но в последнее время остро встал вопрос о замене этих материалов другими, более безопасными в эксплуатации.

Отечественный рынок предлагает широкую гамму разнообразных материалов для защиты от ионизирующего излучения (в частности, рентгеновского), среди которых строительные и конструкционные материалы содержащие и не содержащие свинец, а также черные и цветные материалы (железо, чугун, сталь, кадмий, вольфрам и т. д.).

Наиболее широкое применение при оформлении рентгеновских кабинетов получили такие материалы, как просвинцованная резина и материалы на основе природного барита (баритовая штукатурка). Однако, предлагаемые материалы обладают рядом недостатков. Просвинцованная резина имеет ограниченную область применения в связи с неудобством ее крепления на плоскостях и эластичности самого материалаэто сравнительно дорогой и недолговечный материал. Баритовая штукатурка — более дешевый материал, но на формирование защитного слоя из нее (толщиной около 30 мм) требуются большие трудозатраты. и дополнительные материалы для придания интерьеру элегантного внешнего вида по цвету, дизайну и удобству в эксплуатации.

Поисковые исследования позволяют сделать вывод о том, что в последнее десятилетие велась работа над созданием новых конструкционных материалов, способных выполнять роль защиты от рентгеновского излучения, в которых в качестве несущей основы и защитного слоя выступают разнообразные материалы.

Древесина лиственных пород, благодаря пористому строению, может использоваться в качестве основы в подобных конструкциях.

Создание слоистых материалов из шпона с включением в их конструкцию разных материалов (листов фольги из различных металлов, полиэтилена, стекла, армирующих сеток и др.) позволяют получать материалы на основе древесины с новыми заранее задаваемыми свойствами и тем самым расширить область применения древесины.

Таким образом, поисковые работы и лабораторные исследования позволяют сделать вывод о целесообразности разработки конструкции слоистого материала на основе древесины, которая могла бы использоваться в качестве защитного, конструкционного и отделочного материала в местах применения рентгеновского излучения, являясь актуальной задачей и вызывая интерес в плане теоретических и экспериментальных исследований.

Цель работы. Разработка конструкции и технологии изготовления слоистого материала на основе древесины с защитными свойствами от рентгеновского излучения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— раскрыть особенности анатомической структуры древесины и дефектов ее обработки, дать описание реальной поверхности лущеного березового шпона с применением математических методов;

— исследовать процесс формирования контакта связующего (сплава ВУДа) с поверхностью шпона и распределения его в клеевом слое в зависимости от качества подготовки поверхностиопределить объем зазора при контакте листов шпона и количество связующего, необходимого для изготовления слоистого материала специального назначения на основе математической модели поверхности лущеного березового шпона;

— основываясь на законах ослабления рентгеновского излучения теоретически рассчитать толщину защитного слоя слоистого материала специального назначения;

— установить рациональные параметры создания конструкции слоистого материала специального назначения;

— определить технико-экономическую эффективность разработанных мероприятий, по результатам их внедрения в условиях промышленного производства.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Необходимая толщина «клеевой» прослойки, с целью обеспечения защитных свойств, достигается не только тщательной подготовкой соединяемых поверхностей шпона и величиной внешнего давления, но и толщиной слоеного пакета задаваемого величиной упрессовки. Это позволяет фольге из сплава придать текучесть, перераспределиться в клеевом слое и обеспечить равномерную заданную толщину «клеевой» прослойки и необходимое проникновение сплава на полезную глубину для обеспечения прочностных характеристик.

2. Роль механической адгезии в клеевых соединениях значима, а в данном случае, при соединении разнородных по физико-химическому составу материалов является определяющей, поскольку прочность обеспечивается «якорным зацеплением» разветвленной системы, проникшего в слои шпона связующего — сплава, в период предшествующий его отверждению.

3. Формирование «клеевой» прослойки между склеиваемыми материалами и образование адгезионно-когезионных связей — сложный процесс, каждую стадию которого необходимо регулировать, для получения требуемого качества слоистого материала специального назначения. Для этого важно знать не только полноту отверждения, но и характер, нарастание и степень кристаллизации сплава, по которым можно судить о физико-механических свойствах слоистого материала.

Новизна исследований и научных результатов.

1. Получены математические модели, реально описывающие поверхность лущеного шпона. На основании выбранной модели и рассчитанной теоретическим путем толщины защитного слоя фольги из сплава ВУДа получена зависимость распределения связующего (сплава ВУДа) по толщине шпона от структуры и качества поверхности шпона при создании конструкции слоистого материала специального назначения.

2. Предложена методика оценки распределения сплава в клеевом слое слоистого материала специального назначения на основе древесины.

3. Выбраны и обоснованы критерии эффективности процесса формирования конструкции слоистого материала специального назначения (двух конструкций), получены модели, связывающие их с управляющими факторами. Применение этих моделей позволяет установить рациональные технологические параметры получения слоистого материала, обладающего защитными свойствами от рентгеновского излучения.

4. Разработана конструкция слоистого материала, с применением в качестве связующего легкоплавкого сплава, обладающая защитными и декоративными свойствами (авторское свидетельство на полезную модель № 10 638 от.

16 августа 1999 г).

Обоснованность выводов и рекомендаций. Достоверность предложений и выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Выводы теоретического плана базировались на результатах математического анализа существа проблемы. Полученные в результате теоретических исследований зависимости согласуются с положениями таких основополагающих наук, как математическое моделирование и физико-математические процессы.

Результаты экспериментальных исследований контролировали по характеру зависимостей, полученных в результате обработки экспериментальных данных.

Результаты экспериментальных исследований контролировали по характеру зависимостей, полученных в результате обработки экспериментальных данных.

Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, а их адекватность подтверждается в соответствии с общепринятыми методиками.

Значимость результатов исследований для науки и практики. В диссертации приведены теоретические исследования закономерности формирования контакта связующего, в качестве которого использован легкоплавкий сплав ВУДа, с поверхностью лущеного березового шпона и распределения его в клеевом слое. Определено необходимое количество связующего для изготовления слоистого материала специального назначения на основе математической модели поверхности лущеного шпона, которое позволяет обеспечить достаточные прочностные и защитные свойства разработанной конструкции.

Разработаны рациональные технологические режимы создания слоистого материала специального назначения двух конструкций.

Применение предложенной конструкции слоистого материала специального назначения позволяет расширить ассортимент современных материалов, способных выполнять защитную роль от рентгеновского излучения, а также сократить время и затраты на оформление интерьеров, где применяется данный вид излучения, т.к. разработанный материал обладает высокими конструкционными, эксплуатационными и декоративными свойствами.

Место проведения. Работа выполнена на кафедре Механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета (г. Екатеринбург).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на межобластном семинаре рентгенологов, г. Екатеринбург, 1995 г., на научно-практической конференции ученых и специалистов химико-лесного комплекса, г. Екатеринбург, 1997 г., научно-технической конференции студентов и аспирантов УГЛТА, г. Екатеринбург, 2001 г.

В конкурсе на лучший экспонат в рамках международной выставки-ярмарки «Архитектура. Строительство», «Лес. Деревообработка», г. Новокузнецк, 1998 г., отмечен высокий уровень разработанной конструкции и технологии изготовления защитного слоистого материала.

За разработку конструкции слоистого материала специального назначения были получены дипломы в рамках выставки «Здравоохранение России-99», «Аптека-99», г. Екатеринбург, 1999 г., II международной выставки технических средств обороны и защиты, г. Нижний Тагил, 2001 г.

На конструкцию слоистого материала специального назначения с применением в качестве связующего сплава разработаны технические условия (ТУ 5540−001−2 069 243−00).

Результаты исследований апробированы на ООО «Этюд-Урал» (г. Екатеринбург), на ООО «Уральская мебель» (г. Екатеринбург), в Свердловском областном госпитале ветеранов войн (г. Екатеринбург).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 5 научных работах.

Объем диссертации и ее структура. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, общих выводов, списка литературы, содержащего 88 наименований и приложения. Основной текст диссертации изложен на 190 страницах машинописного текста, включая 48 рисунков и 35 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Лущеный березовый шпон, благодаря пористому строению, может использоваться в качестве несущей основы в конструкциях слоистых материалов, а включение в их состав разнообразных материалов, позволяет придавать конструкции заранее заданные свойства и тем самым расширять область применения древесины.

2. Легкоплавкий сплав ВУДа, обладающий хорошей жидкотекучестью при низкой температуре плавления (68 °С) и способностью быстро затвердевать при понижении температуры, а также защитными свойствами от рентгеновского и мягкого у-излучения может использоваться в конструкции слоистого материала специального назначения одновременно в качестве связующего и защитного слоя.

3. Реальная поверхность лущеного шпона математически описывается при помощи следующих характеристик:

— профилограммы, как реализация нормального стационарного случайного процесса в виде корреляционных и аппроксимирующих функций второго порядка;

— кривой опорной поверхности шпона.

4. Теоретически, с помощью кривой опорной поверхности шпона и основываясь на законах ослабления рентгеновского излучения, рассчитано, и экспе- -риментально подтверждено, что толщина фольги при создании трехслойной конструкции слоистого материала специального назначения, с применением в качестве связующего сплава ВУДа, должна составлять не менее 0,3 мм (при условии ослабления 'потока рентгеновских лучей в 40 раз и рабочем напряжении 75 кэВ).

5. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что фольга из сплава ВУДа в процессе создания конструкции слоистого материала специального назначения расходуется на заполнение неровностей на поверхности шпона, для создания сплошного клеевого слоя и проникновения в граничные слои шпона с целью создания адгезионного контакта между листами шпона и уровня защитных свойств.

6. Адгезионная прочность при соединении разнородных по физико-химическому составу материалов объясняется силами механической адгезии и обусловлена «якорным зацеплением» разветвленной системы, проникшего в толщину шпона сплава, в период предшествующий его отверждению.

7. Определены рациональные параметры, при соблюдении которых получается слоистый материал специального назначения (двух конструкций), обладающий прочностными и защитными свойствами. Они соответствуют следующим значениям:

— для конструкции 1 (в качестве связующего использован сплав ВУДа): предел прочности при скалывании по клеевому слою.

1,26 МПа, предел прочности при статическом изгибе вдоль наружныхслоев 120,5 МПа, предел прочности при растяжении вдоль волокон 95,6 МПа, кратность ослабления рентгеновского излучения 39,6;

— для конструкции 2 (в качестве связующего использован контактный клей): предел прочности при скалывании по клеевому слою 1,48 МПа, предел прочности при статическом изгибе вдольнаружных слоев 123,4 МПа, предел прочности при растяжении вдоль волокон 122,7 МПа, кратность ослабления рентгеновского излучения 96,8.

8. Получены рациональные режимы создания слоистого материала специального назначения для двух конструкций:

— для конструкции 1: шероховатость поверхности шпона 60 мм, толщина слоистого материала специального назначения 3,8 мм, время прессования пакета 6 мин, температура плит пресса 100 ±5 °С, давление плит пресса 1,5±0,1 МПадля конструкции 2: температура плит пресса 50 °C, давление плит пресса 1,2 МПа, время открытой выдержки ~11 мин, расход клея ~ 64 г/м, время выдержки пакета под давлением 6 мин.

9. Разработанные технологические режимы создания конструкций слоистого материала специального назначения максимально приближены к традиционным технологиям получения плитных материалов из шпона.

10. Разработанные конструкции слоистого материала специального назначения обладают достаточной эффективностью ослабления рентгеновского и мягкого у-излучения и наряду с традиционными защитными материалами (свинца, просвинцованной резины, барита и др.) целесообразно использовать в качестве конструкционного материала для защиты стен, полов, потолков, оконных проемов и т. п. Значение свинцового эквивалента слоистого материала (конструкция 1) составляет 0,8 РЬ/слой материала (санитарно-эпидемиологическое заключение № 33 от 25.01.01).

11. Разработанная конструкция слоистого материала специального назначения с применением в качестве связующего сплава ВУДа, является экологически безопасной (заключение центра государственного эпидемиологического надзора Свердловской области № 66.01.10.554П.127.03.01 от 27.03.01).