Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
Russian Federation
In recent years, the production of modified wood has been actively developing abroad. This article discusses the composition of a complex modifier for modified wood, which will improve the performance of friction units with bearings made of modified wood by reducing intermolecular interactions between contacting bodies, increase dimensional stability and hardness of modified wood, and will also comply with environmental requirements. The density of the liquid components of the impregnating compositions was determined. The number of components necessary for the preparation of impregnating compositions was calculated. The impregnation technology is as follows: the impregnating composition is poured into a tin can, heated on an electric stove to 120 0C. Prepared (dried, weighed, measured on three sides and marked) samples of 15 pieces in each impregnating composition are immersed in a hot impregnating solution. Tin cans with samples are placed in a pre-heated autoclave, closed, and brought to a pressure of 40 atm. At this pressure, the samples are kept for 5 minutes. Then the pressure is brought to atmospheric pressure, the samples are removed, dried with filter paper and placed in a desiccator for cooling to a temperature of 20 ± 2 0С. After cooling, the samples are weighed on an analytical balance to the nearest 0.002 g and the three sides of the sample are measured with a caliper. The quality of impregnation of the samples was determined. Water absorption, moisture absorption, linear swelling of the samples of impregnated wood were determined.
modified wood, impregnating composition, test sample, impregnation process, water absorption of the sample
Приоритетным направлением комплексного и высокоэффективного использования лесных ресурсов центральной лесостепи и юга России является создание высоких, экологически чистых технологий по модифицированию древесины быстрорастущих лиственных пород с целью привития изделиям из нее высоких качественных показателей, т.е. повышение тех показателей качества, которые имеют потребительский спрос [1-5].
Вопросами технологического регулирования свойств ДМ в фундаментально-теоретическом аспекте занимались многие ученые России, Латвии, Белоруссии, Украины, Польши и других стран ближнего и дальнего зарубежья [6-9].
Дело в том, что древесина, как анизотропно-пористый материал, имея ажурно-слоистое строение, способна уплотнятся, наполнятся, пропитываться, а также обрабатываться различными химическими веществами, и тем самым древесине можно привить необходимые показатели качества в соответствии с требованиями потребителя [10].
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: разработать состав комплексного модификатора для модифицированной древесины (МД), позволяющий повысить работоспособность узлов трения с подшипниками из МД за счет снижения межмолекулярных взаимодействий между контактирующими телами, повышение стабильности размеров и твердости МД и удовлетворяющий экологическим требованиям.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:
- На основании анализа исследований по работособности подшипников из МД установить факторы, снижающие величину коэффициента трения.
- Провести предварительные исследования по подбору экологически чистых и недефицитных модификаторов, снижающих касательные напряжения при сдвиге поверхностных слоев и молекулярную составляющую коэффициента трения, повышающих прочность и твердость МД и, как следствие, ее износостойкость.
- Выполнить микроструктурные и спектроскопические исследования модифицированной МД с целью установления характера взаимодействия модификаторов с компонентами древесины.
- Определить прочность на сжатие, твердость, водо-, влагопоглощение и линейное разбухание модифицированной древесины.
- Исследовать адсорбционные процессы при пропитке древесины модификаторами, позволяющие обосновать режимы пропитки и формирование граничных слоев на поверхности трения металл - МД.
Для решения поставленных задач необходимо разработать методику экспериментальных исследований и испытаний по подбору композиционных модификаторов.
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ ПО ПОДБОРУ КОМПОЗИЦИОННЫХ МОДИФИКАТОРОВ
Отбор образцов проводят по ГОСТ 21523.4 - 77
Для испытаний отбирают образцы из уплотненной древесины березы, имеющие плотность 
( ГОСТ 9629-85 ) .
Перед пропиткой образцы высушивают в сушильном шкафу при температуре 
до постоянной массы.
Размеры образцов 
(последний размер вдоль волокон). Количество образцов для одного опыта принимают 3-5
. Изготовленные образцы хранят до испытаний в сухих закрытых эксикаторах.
Определение влажности МД проводят по ГОСТ 21523.4 - 85
Влажность образца 
в процентах вычисляют с погрешностью не более 1
по формуле
(1)
где mo - масса бюкса до взвешивания, г.;
m1 - масса бюкса с образцом до высушивания, г.;
m2 - массса бюкса с образцом после высушивания и охлаждения, г.
Проводят статистическую обработку данных. За результат испытания принимают среднее арифметическое значение определений влажности всех испытанных образцов.
Подготовка пропитывающих составов.
Определяют плотность жидких компонентов пропитывающих составов:
|
масло индустриальное И – 20А |
|
|
КОЖ ПМС – 20 |
|
|
КОЖ ПЭС - 3М |
|
|
КОЖ ГКЖ - 11 |
|
В пропитывающие составы входит воскообразный церезин, представляющий собой смесь твердых ациклических и циклических высокомолекулярных насыщенных углеводородов; температура каплепадания - 800С.
Рецептуры пропитывающих составов:
1. 95 % масс. масла И - 20 А + 5 % масс. ПМС - 20;
2. 95 % масс. масла И - 20 А + 5 % масс. ПЭС - 3М;
3. 95 % масс. масла И - 20 А + 5 % масс. ГКЖ - 11;
4. 95 % масс. церезина - 80 + 5 % масс. ПМС - 20;
5. 95 % масс. церезина - 80 + 5 % масс. ПЭС - 3М;
6. 95 % масс. церезина - 80 + 5 % масс. ГКЖ - 11.
С учетом плотности исходных материалов рассчитывают количество компонентов, необходимых для приготовления пропитывающих составов массой 120 - 130 г.
Процесс пропитки. Аппаратура и оборудование.
Для проведения процесса пропитки используют: электроплитку, обеспечивающую нагрев до температуры 120±20С; термометр ртутный с ценой деления не более 10С, позволяющий фиксировать заданную температуру; автоклав, позволяющий вести пропитку при 40 атм.
Проведение процесса пропитки.
Режим пропитки: давление 40
; время пропитки - 5
; температура - 
.
В жестяную банку емкостью 250
наливают пропитывающий состав (в случае церезина - последний предварительно расплавляют, а затем добавляют кремнийорганический компонент), нагревают на электроплитке до 
. В горячий пропиточный раствор опускают подготовленные (высушенные, взвешенные, измеренные по трем сторонам и промаркированные) образцы по 15 штук в каждый пропитывающий состав. Жестяные банки с образцами помещают в подогретый заранее автоклав, закрывают его и доводят давление до 40
. При таком давлении выдерживают образцы 5 минут. Затем давление доводят до атмосферного, образцы вынимают, осушают фильтровальной бумагой и помещают в эксикатор для охлаждения до температуры 
. После охлаждения образцы взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,002
и измеряют три стороны образца штангенциркулем. Из каждой серии образцов 5 штук отбирают на определение водопоглощения, 5 - на определения влагопоглощения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Качество пропитки определяют по степени наполнения образцов, которая рассчитывается по формуле
(2)
где k - степень наполнения;
m2 - масса образца после пропитки;
m1 - массса образца до пропитки.
Определение водопоглощения проводят по ГОСТ 21523.5 - 85.
Определение влагопоглощения образцами пропитанной древесины проводят по ГОСТ 21523.6 - 85.
Определение линейного разбухания образцов пропитанной древесины проводят по ГОСТ 21313-85.
У каждого образца микрометром измеряют высоту в плоскости прессования h и ширину в плоскости, перпендикулярной плоскости прессования b. Образцы укладывают на шипы между обхватами так, чтобы они находились в свободном состоянии и обхваты раздвигались с усилием не более 1 Н. Индикаторы закрепляют при смещении стрелок на 10-15 делений шкалы и эти показания принимают за начало отсчетов. Образцы заливают дистиллированной водой с температурой 200С.
Величину линейного разбухания измеряют по показаниям индикаторов через 2 часа, 1 сутки, 2, 3, 6, 9, 13 ,21 и 30 суток.
Обработка результатов. Относительное линейное разбухание в плоскости прессования e1 (в %) вычисляли по формуле
, (3)
где Dh1,Dh2 - увеличение линейных размеров образцов в плоскости прессования в радиальном или тангентальном направлении, замеренное индикаторами, расположенными друг против друга, м;
h - высота образцов в плоскости прессования в радиальном или тангенциальном направлении, м.
Относительное линейное разбухание перпендикулярно плоскости прессования e2 (в %) вычисляли по формуле
, (4)
где Db1,Db2 - увеличение линейных размеров образцов в плоскости прессования в радиальном или тангентальном направлении, замеренное индикаторами, расположенными друг против друга, м
b - высота образцов в плоскости прессования в радиальном или тангентальном направлении, м.
График зависимости e1и e2 от времени выдержки образцов в воде строят в координатах: e, % - t , сут.
По графику определяют максимальную величину относительного линейного разбухания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Определение молекулярной составляющей коэффициента трения.
Молекулярную составляющую коэффициента трения определяют по известной и широко применяемой методике.
Величину молекулярной составляющей вычисляют по формуле:
, (5)
где F - сила, необходимая для прокручивания шарового индектора;
R - радиус оправки, в который закреплен индектор;
ro - текущее значение отпечатка индектора;
N - нормальная нагрузка на индектор.
Определение предела прочности при сжатии вдоль волокон.
Предел прочности на сжатие определяют на образцах с размерами 15 х 15 х 22,5 мм (последний размер вдоль волокон) по формуле
, (6)
где F - предельная нагрузка, прилагаемая к образцу, Н;
a - ширина образца, м;
b - высота образца, м.
1. Shamaev, V. A. Modifikaciya drevesiny / V. A. Shamaev. - M.: Ekologiya, 1990.- 128 s.
2. Aksenov, A.A. Sposoby modificirovaniya drevesiny / A.A. Aksenov, S.V. Malyukov // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. - 2015. - T. 3. - № 9-3 (20-3). - S. 14-18.
3. Aksenov, A.A. Raschet temperaturnogo polya pressovannoy drevesiny pri intensivnom nagreve ee iznutri / A.A. Aksenov, S.V. Malyukov, V.S. Tyuhin // Voronezhskiy nauchno-tehnicheskiy Vestnik. - 2017. - T. 2. - № 2 (20). - S. 4-15.
4. Shamaev, V. A. Himiko mehanicheskoe modificirovanie drevesiny: monografiya / V. A Shamaev. - Voronezh, 2003. - 260 s.
5. Malyukov, S.V. Analiz processov teplomassoobmena pri sushke drevesiny s termoobrabotkoy SVCh elektromagnitnoy energiey / S.V. Malyukov, A.A. Aksenov // V sbornike: Severgeoekoteh-2016 Doklady HVII Mezhdunarodnoy molodezhnoy nauchnoy konferencii. - 2016. - S. 25-30.
6. Brabec, M. Neutral axis in thermally modified timber determined by image-based approach / M. Brabec, J. Milch, P. Cermák, D. Decký, V. Sebera, J. Tippner // Journal of Testing and Evaluation. - 2020. - 48 (4). - DOI:https://doi.org/10.1520/JTE20170515
7. Ditommaso, G., at all. Interaction of technical and technological factors on qualitative and energy/ecological/economic indicators in the production and processing of thermally modified merbau wood. // Journal of Cleaner Production. - 2020. - 252. - № 119793. - DOI:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119793
8. Tenorio-Alfonso, A.Synthesis and mechanical properties of bio-sourced polyurethane adhesives obtained from castor oil and MDI-modified cellulose acetate: Influence of cellulose acetate modification / A. Tenorio-Alfonso, M.C. Sánchez, J.M. Franco // International Journal of Adhesion and Adhesives. - 2019. - 95. - № 102404. - DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2019.102404
9. Galmiz, O. Cold atmospheric pressure plasma facilitated nano-structuring of thermally modified wood / O. Galmiz, R. Talviste, R. Panáček, D. Kováčik // Wood Science and Technology. - 2019. - 53 (6). - pp. 1339-1352. - DOI:https://doi.org/10.1007/s00226-019-01128-6
10. Shamaev, V.A. Issledovanie podshipnikov skol'zheniya iz modificirovannoy drevesiny dlya tyazhelonagruzhennyh uzlov treniya / V.A. Shamaev, D.A. Parinov, A.N. Polilov // Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin. - 2018. - № 2. - S. 54-59.
