На правах рукописи

Медведев Илья Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ФОРМОУСТОЙЧИВОСТИ ШПАЛ ИЗ ПРЕССОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и

оборудование деревообработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж Ц 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (ВГЛТА)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шамаев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бондарев Борис Александрович

доктор технических наук, профессор

Филонов Александр Андреевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 27 марта 2009 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 в Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, зал заседаний - ауд. 240)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан 20 февраля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скрыпников А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в мире 60 % железных дорог используют деревянные шпалы. Остальной процент составляют железобетонные, и полимерные шпалы. Срок службы сосновой шпалы составляет не более 12 лет, срок службы железобетонных шпал составляет около 50 лет. Недостатки присущи и железобетонным шпалам: отсутствует демпферное свойство у шпалы, из-за чего происходит разрушение колесных пар составов; увеличение случаев поражения людей электрическим током вследствие хорошей проводимости тока железобетоном; вынужденные замены из-за износа амортизационных прокладок каждые 7Ц8 лет, что приводит к большим затратам при эксплуатации шпал.

В России за последние 3 года стоимость сосновых шпал выросла с 400 до 800 рублей за штуку и продолжаются тенденции к росту. Связано это с тем, что на шпалы используются сортименты древесины хвойных пород диаметром не менее 33 см, запасы которых в Центральной зоне и на Урале истощены, а в Сибири и на Севере, где запасы велики, очень мало лесовозных дорог. Особенно остро эта проблема стоит не только для ОАО Российские железные дороги, как естественного монополиста, но и для предприятий, имеющих подъездные пути, трамвайных управлений и метрополитенов, приобретающих ежегодно до 1 млн. штук деревянных шпал и где замена шпал оборачивается большими финансовыми потерями.

На лесосеках России ежегодно сгнивает порядка 70 млн. м3 древесины мягких лиственных пород (береза, осина, ольха, тополь и др.), состав которых в общем лесном фонде с каждым годом увеличивается, что ожидается и на ближайшие 15-20 лет.

Шпала, изготовленная из прессованной древесины по своим физико-механическим показателям не уступает деревянной, но срок службы существенно выше, чем деревянной.

Одним из основных недостатков уплотненной древесины является отсутствие формоустойчивости при воздействии влаги и воды. Влаго- и водопоглощение, а так же объемное разбухание при влаго- и водопоглощении в два и более раз выше, чем у натуральной древесины, это не позволяет изготавливать из нее шпалы. Для повышения формоустойчивости предлагается пропитать древесину перед прессованием раствором карбамида, формальдегида и воды; форконденсатом карбамидоформальдегидного олигомера; карбамидформальдегидной смолой марки КФЖ; основа этих стабилизаторов карбамидоформальдегидные соединения. При этом повышение формоустойчивости происходит на трех стадиях соединения формалина и карбамида в древесине: с помощью формалина, карбамида и воды (в щелочной среде); с помощью форконденсата карбамидоформальдегидного олигомера; с помощью карбамидоформальдегидной смолы марки КФЖ.

В перспективе планируется организовать опытно-промышленное производство железнодорожных шпал в объеме 20 тыс. штук шпал в год.

Анализ сложившегося рынка производства шпал показывает, что в ближайшее время (10-15 лет) выпуск шпал в России и мире будет иметь стабильный характер с тенденцией к увеличению через 15 лет. Выпуск шпал из формоустойчивой уплотненной древесины в планируемых объемах в течение 15 лет не приведет к насыщению рынка.

Цель исследования. Целью работы является разработка технологии повышения формоустойчивости шпал из прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК и применение термомеханического уплотнения древесины.

Объектом исследования является механизм повышения формоустойчивости прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК, и технология совмещенной сушки и прессования древесины.

Методы исследований. Исследования проводились на основе теоретического и экспериментального изучения процесса повышения формоустойчивости уплотненной древесины. Методика исследований проводилась в соответствии с требованиями ГОСТ на модифицированную древесину.

Значимость для теории. Разработан механизм, исключающий движение влаги и воды по водопроводящей системе древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера. Представлены предполагаемые схемы взаимодействия стабилизатора с древесиной. Реализована система прогнозирования свойств формоустойчивой уплотненной древесины на основе многокритериальной оптимизации, позволяющая находить рациональную технологию повышения формоустойчивости уплотненной древесины.

Научная новизна:

- разработан механизм повышения формоустойчивости прессованной древесины, отличающийся тем, что полимеризация стабилизатора в полостях анатомических элементов древесины исключает их из влаго- и водопроводящей системы;

- разработаны математические модели процесса получения прессованной древесины повышенной формоустойчивости, отличающиеся учетом концентрации карбамидоформальдегидного олигомера, степенью прессования древесины, температурой термообработки;

- обоснован способ одновременной пропитки здоровой и фаутной зоны древесины, отличающийся повышением прочностных свойств фаутной зоны;

- разработана технология получения деревянных шпал, отличающаяся сквозной пропиткой древесины антисептиком и стабилизатором за один цикл.

Положения, выносимые на защиту:

- механизм понижающий влаго- и водопроводность древесины, за счет полимеризации стабилизатора в полостях анатомических элементов, позволяющий повысить формоустойчивость прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера;

- математические модели повышения формоустойчивости здоровой и фаутной уплотненной древесины, позволяющие учитывать концентрацию стабилизатора, степень прессования и температуру термообработки;

- способ одновременной пропитки здоровой и фаутной зоны древесины, позволяющий повысить прочностные свойства фаутной зоны;

- технология получения шпал из уплотненной древесины повышенной формоустойчивости, позволяющая осуществлять сквозную пропитку антисептиком и стабилизатором за один цикл.

Достоверность. Достоверность научных положений основана на результатах фактического материала, полученного при проведении лабораторных исследований. В ходе проведения лабораторных исследований учитывались концентрация стабилизатора, степень прессования и температура термообработки. Полученные результаты обрабатывались методом математической статистики с использованием современного комплекса программ для персонального компьютера.

Практическая ценность работы состоит в разработке технологии повышения формоустойчивости прессованной древесины позволяющей более эффективно использовать железнодорожное полотно и увеличить срок службы шпал, а так же в сокращении расхода натуральной древесины хвойных пород за счет использования низкосортной древесины.

Полученные результаты применяются в учебном процессе при выполнении дипломных работ студентов, исследованиях аспирантов, а так же отражены в отчетах НИР кафедры.

ичное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научных исследований и анализа их результатов, автором разработана технология повышения формоустойчивости прессованной древесины.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на заседаниях кафедры древесиноведения ВГЛТА (2005, 2006, 2007 годы); совместных семинарах кафедр механической технологии древесины и древесиноведения ВГЛТА 2007г.; ежегодных научно-практических конференциях ВГЛТА (2005, 2006, 2007 годы); конференции Лесной и химический комплексы-проблемы и решения, г. Красноярск 2008г.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано
8 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК, получен патент РФ на изобретение (Способ получения модифицированной древесины: Пат. 2346809 Россия МПК7 B 27 K 3/02).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и 10 приложений. Работа изложена на 171 странице машинописного текста, из них 134 страницы основного текста, 23 рисунка, 26 таблиц, список использованной литературы 154 наименований, из них 11 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, изложена научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрено состояние проблемы, проведен обзор публикаций и оценка состояния вопроса по стабилизации уплотненной древесины и повышению ее формоустойчивости для изготовления деревянных шпал, сформулированы задачи исследования.

В развитии теории стабилизации прессованной древесины методом пропитки большой вклад внесли ученые Е.В. Харук, В.Ф. Анненков,
Ю.П. Майко, В.А. Шамаев, С.С. Глазков, С.С. Никулин, А.А. Филонов,
Б.А. Бондарев и др.

Томиным А.А. была разработана технология совмещенного способа, сушки и прессования древесины. Сущность совмещенного способа для получения шпал для метрополитена заключается в том, что заготовку из сырой древесины с влажностью порядка 80% помещают в жидкий антисептик - каменноугольное масло, нагревают до температуры 110-130С и сушат до влажности 15-20%, одновременно уплотняя ее путем приложения механического давления до степени сжатия 15-20% и дают остыть до температуры 15-20С. Параллельно по времени с сушкой и прессованием, идет процесс пропитки древесины антисептиком.

Таким образом, рассматривая явления, происходящие в древесине в ходе совмещенного процесса пропитки, сушки и прессования, можно заключить, что при полном совмещении вышеуказанных стадий по месту, совмещение по времени также полное.

Особенность предлагаемого метода заключается в том, что после сушки-пропитки древесины в пропиточном агенте под механическим давлением цилиндрические заготовки приобретают форму, близкую к прямоугольной.

Этот факт обуславливает отличительную особенность данного способа модифицирования древесины - его малоотходность.

Для совмещенного способа требуется заготовка из древесины мягких лиственных пород диаметром 24-30 см, в то время как классический способ получения шпал предусматривает выпиловку шпал из лесоматериалов хвойных пород диаметром более 35 см.

Комплексный анализ в области повышения формоустойчивости прессованной древесины различными модификаторами показал возможность ее применения в качестве материала для изготовления железнодорожных шпал широкой колеи, обладающих высокими физико-механическими свойствами. Это позволило сформулировать следующую цель настоящих исследований: разработка технологии повышения формоустойчивости шпал из прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК и применение термомеханического уплотнения древесины.

Анализ состояния вопроса позволил сформулировать задачи исследований:

- обосновать механизм повышения формоустойчивости прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера;

- разработать математические модели процесса получения из здоровой и фаутной древесины прессованной повышенной формоустойчивости, учитывающие концентрацию стабилизатора, степень прессования и температуру термообработки;

- разработать способ одновременной пропитки здоровой и фаутной зоны древесины, повышающий прочностные свойства фаутной зоны;

- разработать технологию получения шпал из уплотненной древесины повышенной формоустойчивости.

Во втором разделе проведена теоретическая разработка исследуемого вопроса. Проведен анализ факторов определяющих степень проникновения полимерного стабилизатора в структуру древесины. Причиной, побуждающей жидкость заполнять поры, являются силы поверхностного натяжения. Теория капиллярных явлений хорошо разработана для тел, имеющих сквозные капилляры. В нашем случае наряду со сквозными, играют роль так называемые тупиковые капилляры. Проникновение смачивающих жидкостей в тупиковые капилляры сопровождается сжатием воздуха тем большим, чем больше капиллярное давление. При быстром погружении пористого образца древесины в стабилизатор сквозные капилляры будут вести себя так же, как и тупиковые.

Проведенный анализ факторов, которые оказывают то или иное влияние на степень проникновения макромолекул полимерного модификатора в капиллярно-пористую структуру древесного изделия показал, что снижение вклада капиллярного эффекта на степень проникновения полимерного стабилизатора будет наблюдаться для тупиковых капилляров с радиусом пор
r > 10-5 см.

Количество тупиковых пор будет возрастать при быстром погружении пропитываемой заготовки в раствор. Так как размеры пор, рассматриваемых пород древесины, в основном характеризуются r > 10-5см, то определяющую роль на скорость пропитки будут оказывать диффузионные процессы.