способ изготовления изделий из композиционных материалов, преимущественно арболита

Формула изобретения

Способ изготовления изделий из композиционных материалов, преимущественно арболита, включающий стадии подготовки древесного заполнителя и связующего, обработки древесных частиц в электрическом поле, приготовление арболитовой смеси, формовки и термообработки, отличающийся тем, что обработку древесных частиц проводят в потоке плазмообразующего газа в разрядной камере при мощности высокочастотного генератора 200-600 Вт и разрежении равном 100-130 Па в течение 250-280 с, при этом в качестве плазмообразующего газа используют воздух, а его расход составляет 0,08-0,12 г/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству изделий из композиционных материалов на основе отходов лесоперерабатывающих производств и минеральных вяжущих, которые могут быть использованы в качестве строительных материалов в различных отраслях промышленности. Преимущественно данное изобретение может быть использовано при изготовлении изделий из арболита.

Известен способ изготовления изделий из композиционных материалов, в частности древесно-стружечных плит, заключающийся в том, что древесные компоненты сначала смешивают с порошкообразным полиэтиленом, из полученной смеси формируют пакет, в котором равномерно по его высоте распределяют пленкообразное связующее, затем пакет прогревают и формуют плиту под давлением (см., например, а.с. СССР №1666305, МПК B27N 3/02, 1991).

Недостаткам данного способа является то, что он не обеспечивает равномерного обволакивания связующим поверхности древесных компонентов, требует использования пленки и повышенного расхода связующего для обеспечения высоких физико-механических характеристик. Высокое содержание связующего в составе материала изделия приводит к тому, что его свойства и внешний вид приближаются к свойствам пластмасс.

Известен также способ изготовления изделий из композиционных материалов - арболита, состоящий из стадий подготовки заполнителя, приготовления химических добавок, дозировки компонентов, приготовления арболитовой смеси, укладки ее в формы и уплотнения, термообработки сформированных изделий и выдержки при положительных температурах (см., например, книгу Мельниковой Л.В. Технология композиционных материалов из древесины. - М.: МГУЛ, 1999. - С.162-173).

Недостатком данного технического решения является низкая механическая прочность изделия.

Указанный недостаток обусловлен неоднородной структурой поверхности древесных частиц, используемых в качестве заполнителя. Древесные отходы от различных источников отличаются смачиваемостью поверхности и адгезионными свойствами по отношению к раствору минерального вяжущего, которые зависят от режимов и способов механической переработки древесины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ изготовления композиционных материалов, заключающийся в подготовке древесного заполнителя и связующего, обработке древесных частиц в электрическом поле, приготовлении арболитовой смеси, формовке и термообработке (см., например, патент RU 2076040, МПК B27N 3/00, B27N 3/14, 1997).

Недостатком данного технического решения является низкая физико-механическая прочность изделий из композиционных материалов, обусловленная неравномерным нанесением мелкодисперсного полимерного связующего на поверхность древесных компонентов заполнителя.

Обработка связующего и древесного заполнителя осуществляется в объеме частиц при хаотическом перемещении дисперсных компонентов. Это приводит к различным условиям зарядки: частицы, находящиеся ближе к электродам, приобретают больший электрический заряд, по сравнению с теми частицами, которые удалены от них. К тому же на заостренных срезах древесных частиц могут концентрироваться заряженные ионы обратного знака (эффект обратной короны). Поэтому при смешении компонентов более мелкие частицы полимерного связующего в этих областях будут перезаряжаться и отталкиваться от частиц наполнителя.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение физико-механических характеристик изделий из композиционных материалов, преимущественно арболита, путем модификации структуры поверхности древесных частиц.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления изделий из композиционных материалов, преимущественно арболита, включающем стадии подготовки древесного заполнителя и связующего, обработки древесных частиц в электрическом поле, приготовление арболитовой смеси, формовки и термообработки, новым является то, что обработку древесных частиц проводят в потоке плазмообразующего газа в разрядной камере при мощности высокочастотного генератора 200-600 Вт и разрежении, равном 100-130 Па, в течение 250-280 с, при этом в качестве плазмообразующего газа используют воздух, а его расход составляет 0,08-0,12 г/с.

При решении вышеуказанной задачи достигается технический эффект, заключающийся в том, что благодаря плазменной обработки древесных частиц усиливается межфазное взаимодействие на границе древесина - минеральное вяжущее в результате разрыхления поверхности, раскрытия пор и капилляров.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена функциональная схема установки для реализации предложенного способа изготовления изделий из композиционных материалов, например арболита.

Установка состоит из расходной емкости 1 с измельченным древесным наполнителем, устройства плазменной обработки 2 древесных частиц, промежуточной емкости 3, емкости для замачивания 4 частиц заполнителя, смесителя 5, дозаторов воды 6, цемента 7, песка 8, химических добавок 9, раствора фактурного слоя 10, формовочной станции 11, пресса 12 и камеры термической обработки 13.

Устройство плазменной обработки 2 включает вакуумную камеру 14, высокочастотный генератор 15, баллон со сжатым плазмообразующим газом 16, вакуумный насос 17, плазмотрон 18, вакуумные затворы 19, 20, клапан 21, вентили 22-24.

В плазмотроне 18 установлены электроды 25, соединенные электрическим кабелем 26 с высокочастотным генератором 15.

Баллон с рабочим газом 16 сообщен с вакуумной камерой 14 через регулирующий вентиль 27, ротаметр 28, вентили 22, 23 и плазмотрон 18.

Вакуумная камера 14 снабжена контрольно-измерительным прибором 29 (вакуумметром).

Способ изготовления изделий из композиционных материалов, преимущественно арболита, осуществляется следующим образом. Частицы древесного заполнителя из расходной емкости 1 при открытом вакуумном затворе 19 и закрытом затворе 20 подают в вакуумную камеру 14. Вакуумный затвор 19 закрывают, открывают вентиль 24, и включают вакуумный насос 17, с помощью которого создают разрежение в вакуумной камере 14. После этого в вакуумную камеру 14 через плазмотрон 18 при открытых вентилях 22, 23 напускают рабочий газ из баллона 16, контролируя и регулируя его расход (0,08-0,12 г/с) ротаметром 28 и вентилем 27. Заданное остаточное давление в вакуумной камере 14 (100-130 Па) устанавливают регулировкой вентиля 24, размещенного на вакуумной линии и обеспечивающего заданное соотношение между производительностями систем откачки и напуска рабочего газа. Контролируют остаточное давление в рабочей камере вакуумметром 29.

Включают высокочастотный генератор 15 мощностью 0,2-0,6 кВт и подают напряжение на электроды 25. Между электродами возникает электрическая дуга с высокой концентрацией энергии (плазменный сгусток), которая нагревает рабочий газ до состояния низкотемпературной плазмы. Поверхность древесных частиц, помещенных в поток неравновесной низкотемпературной плазмы, подвергается бомбардировке заряженных и возбужденных атомов, воздействию ультрафиолетового излучения, теплового потока и электромагнитного поля. В результате плазменной модификации поверхность древесных частиц активируется (очищается от загрязнений, разрыхляется, обеспечивается раскрытие пор и капилляров). Длительность плазменной обработки составляет 250-280 с.

По истечении заданного промежутка времени отключают высокочастотный генератор 15, закрывают вентили 22-24, отключают вакуумный насос 16, открывают клапан 21 и повышают давление в вакуумной камере 14 до атмосферного. Древесные частицы с модифицированной поверхностью при открытом вакуумном затворе 20 выгружают из вакуумной камеры 14 в промежуточную емкость 3 и замачивают в емкости 4.

Арболитовую смесь приготавливают в смесителе 5, в который последовательно загружают древесный заполнитель, растворы химических добавок, вода (продолжительность перемешивания не менее 180 с). Загрузку компонентов и химических добавок в смеситель 5 осуществляют дозаторами 6-9.

Формуют изделие из арболита на станции 11, при этом раствор или мелкозернистый бетон для фактурного слоя дозируют устройством 10. Далее изделие подвергают уплотнению на прессе 12, тепловой обработке в камере 13 и выдержке.

Длительность плазменной обработки 250-280 с обусловлена необходимостью получения требуемой степени активации поверхности древесных частиц. Уменьшение длительности процесса приводит к снижению показателей, влияющих на прочность изделия: смачиваемости и пористости. С другой стороны, увеличение продолжительности приводит к увеличению энергетических затрат и снижению экономической эффективности.

Снижение мощности высокочастотного генератора ниже 200 Вт приводит к уменьшению степени активации поверхности частиц, а несоблюдение верхнего предела по мощности (600 Вт) - к интенсивному воздействию струйного разряда и загрязнению поверхности древесных частиц продуктами разложения.

Расход плазмообразующего газа 0,06-0,12 г/с обеспечивает наиболее полное удаление продуктов разложения из реакционной зоны (0,06 г/с) и оптимальные энергетические затраты на поддержания заданного разрежения в вакуумной камере (0,12 г/с).

Диапазон значений по остаточному давлению 100-130 Па обусловлен с одной стороны (130 Па) изменением свойств низкотемпературной плазмы, приводящих к ухудшению качества обработки древесных частиц, с другой (100 Па) - увеличением энергетических затрат на проведение процесса.

В качестве примера конкретного исполнения способа, заявленного в качестве изобретения, был изготовлен образец изделия из композиционного материала - арболита. Для изготовления изделия были использованы отходы после переработки древесины хвойных и лиственных пород на фрезерном станке с максимальными размерами до 10 мм. Обработка поверхности древесных частиц проводилась низкотемпературной неравновесной плазмой при следующих режимных параметрах:

- мощность емкостного высокочастотного генератора - N=600 Вт;

- остаточное давление в вакуумной камере - р_ост=110-120 Па;

- расход плазмообразующего газа - G=0,1 г/с;

- напряжение, подаваемое на электроды - U=320 В;

- частота генератора - f=13,5 МГц;

- продолжительность обработки - =280 с;

- плазмообразующий газ - воздух.

Древесный заполнитель с модифицированной поверхностью исследовали на смачиваемость жидкостью с помощью микроскопа, снабженного оптическим угломером. Значения краевых углов смачивания растворов минеральных вяжущих на поверхностях древесных частиц различных пород до и после высокочастотной плазменной обработки приведены в табл.1.

Таблица 1
Состав минерального вяжущего	Краевой угол смачивания древесины хвойных пород ( , град)		Краевой угол смачивания древесины лиственных пород ( , град)
	до обработки	после обработки	до обработки	после обработки
Портландцемент, песок, жидкое стекло и сульфат алюминия	25,4	12,8	28,3	14,1

Сравнение результатов исследования позволяет сделать вывод об улучшении смачиваемости древесных частиц хвойных и лиственных пород с модифицированной поверхностью.

Арболитовая смесь приготавливалась по следующей рецептуре: древесный заполнитель - 21%; портландцемент М400 - 25,6%; жидкое стекло - 1,1%; вода - 30%; песок - 16,3%; сульфат алюминия - 6%.

Отформованное изделие уплотнялось на гидравлическом прессе при давлении р=0,2 МПа, подвергалось тепловой обработке при температуре t=35-40°C и выдерживалось при температуре t=20°C в течение 5 суток.

Для оценки адгезионной прочности минерального вяжущего к древесному заполнителю использован метод отрыва элемента, приклеенного к слою, нанесенного на поверхность древесины минерального вяжущего, на машине прессового типа системы Дубова-Регеля с оптическим динамометром. Скорость отрыва при этом составляла v=0,175 мм/мин. Результаты исследования адгезионной прочности минеральных вяжущих к поверхностям древесины хвойных и лиственных пород до и после плазменной обработки приведены в табл.2.

Таблица 2
Состав минерального вяжущего	Адгезионная прочность для древесины хвойных пород (А, МПа)		Адгезионная прочность для древесины лиственных пород (А, МПа)
	до обработки	после обработки	до обработки	после обработки
Портландцемент, песок, жидкое стекло, сульфат алюминия	0,44	0,64	0,40	0,59

Как видно из таблицы адгезионная прочность минерального вяжущего к древесине хвойных и лиственных пород, обработанной низкотемпературной плазмой, возросла соответственно на 45% и 47%.

Максимальная прочность образцов изделия из арболита на основе древесного заполнителя с модифицированной поверхностью на сжатие составила 7,46 МПа, а на растяжение - 1,29 МПа и увеличилась по сравнению с прочностью образцов на основе древесного заполнителя без обработки поверхности на 47,5% и 43% соответственно.

Таким образом, способ изготовления изделий из композиционных материалов, преимущественно арболита, имеет следующие преимущества:

- улучшение смачиваемости поверхности древесных частиц раствором минерального вяжущего;

- повышение адгезионной прочности минерального вяжущего к древесному заполнителю;

- повышение физико-механических характеристик изделия.