Анализ структуры и свойств древесных наполнителей композиционных материалов для деталей низа обуви

В настоящее время перед кожевенно-обувной промышленностью остро стоит вопрос поиска альтернативного качественного сырья для изготовления обуви, обладающей высокими эксплуатационными свойствами. Согласно Указу Президента Республики Беларусь № 150 одним из приоритетных направлений научной, научно-технической и инновационной деятельности на 2021-2025 года является «Техника и технологии в сфере сбора, обезвреживания и использования отходов» [1]. Считается, что на сегодняшний день современные технологии переработки древесины позволяют всего лишь наполовину использовать биомассу дерева. Комплексное использование вторичных древесных ресурсов в обувном производстве для создания композиционных материалов (КМ), содержащих в качестве наполнителя мелкодисперсные отходы деревообрабатывающей промышленности, позволило бы не только увеличить конкурентоспособность обуви на мировом рынке за счет снижения ее стоимости, но и решить проблемы утилизации и переработки отходов.

Основными отходами деревообрабатывающего предприятия ОАО «Витебскдрев» являются щепа из коры и кусковых отходов, фанеры, обрезки ДВП, МДФ, а также древесная пыль (ДП) и древесное волокно (ДВ). За последнее десятилетие количество ежегодно образующихся отходов на ОАО «Витебскдрев» выросло почти на 28 % и составило более 65 млн тонн. В связи с этим в 2023 году на предприятии запланирован проект «Техническая модернизация объектов по измельчению древесных отходов», что позволит использовать крупные отходы производства для изготовления щепы, которая широко применяется в качестве биотоплива в собственных энергетических установках [2]. Помимо того на ОАО «Витебскдрев» ежемесячно образуются значительные объемы мелкодисперсных отходов, использование которых в качестве топливных ресурсов не целесообразно. Проблема рационального потребления дисперсных отходов, образующихся на производстве, остается открытой.

Анализ ингредиентов композиционных материалов является важной составляющей для получения качественных изделий. Тип и качество наполнителя, а также связующий его полимер определяют физикомеханические и эксплуатационные свойства (прочность, стойкость к многократным механическим воздействиям, жесткость, фрикционные, тепловые, электрические и другие свойства) композиционного материала и изделий из него [3, с. 21]. Большую роль в создании прочных и стойких изделий из полимерных КМ играют размер и физико-химические свойства наполнителя. Используя частицы различной формы или, изменяя ее в процессе получения композита, можно в широких пределах регулировать многие свойства ПКМ.

В связи с этим была поставлена следующая цель исследования: подтвердить возможность использования древесно-волокнистой массы (ДВМ) для создания полимерных композитов для подошв обуви.

Объектами исследования являются древесная пыль и древесное волокно, как наполнители композиционных материалов для деталей низа обуви.

Предметом исследования являются геометрические размеры и физико-химические свойства древесно-волокнистых наполнителей.

В данной работе исследовали ДВМ марок 140, 180 на металлографическом микроскопе, который позволяет получать изображения объектов с увеличением 10Х/0,25 BD, 20Х/0,40 ВD. Анализ и обработка изображений в режиме реального времени осуществлялись с помощью программного обеспечения Altami Studio.

Процентное соотношение различных фракций ДП и ДВ определяли на оптическом сортировщике волокна FiberCam 100 (рис. 1) и лабораторном ультразвуковом ситоанализаторе VU100. FiberCam 100 снабжен пневматической системой для транспортировки волокна и телекамерой, позволяющей получать изображения, на которых видны результаты оптического измерения, идентифицирующего и анализирующего волокно. Оптический сортировщик позволяет проводить измерения ДВМ неразрушающим методом и автоматически исключать чрезмерно скрученные и наложенные друг на друга волокна, что дает возможность получать более точные результаты эксперимента. Во время анализа система выдает график, показывающий объемное распределение различных фракций и результаты измерения с числовой индексацией.

Рисунок 1 - Оптический сортировщик волокна FiberCam 100

Лабораторный ультразвуковой ситоанализатор VU100 полностью соответствует нормам ЕС, оснащен стандартными ситами (табл. 1) и предназначен для просеивания материалов типа порошка, стружки и древесного волокна с целью разделения материала на основании их размерных характеристик. Аппарат снаружи представлен структурой из лакированного листа, внутри которой установлена колонна сит.

Исследуемый материал, расположенный на первом верхнем сите, просеивается вниз в результате ультразвуковых вибраций, осуществляемых двумя латексными мембранами. При прохождении вниз продукт оседает на ситах, в соответствии с размерами ячейковой сетки (рис. 2). Влажность волокон определялась согласно ГОСТу 3816-81 «Полотна текстильные. Методы определения гигроскопических и водоотталкивающих свойств» [4]. Согласно методике, от точечной пробы ДВМ отбирают по две элементарные пробы ДВ и ДП и высушивают в открытом стаканчике для взвешивания до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 107±2 °C. Затем пробы в закрытых стаканчиках помещают для охлаждения в эксикатор, заполненный CaCl2, и взвешивают повторно с погрешностью не более 0,1 г.

Таблица 1 - Диапазон стандартных сит лабораторного ультразвукового ситоанализатора VU100

Сетки для МДФ
Франц. дюймы	Мм	Меш (число ячеек на линейный дюйм)
10	1,98	9,14
16	1,24	14,63
35	0,514	32
70	0,217	64
120	0,131	109,72
200	0,089	182,87

Рисунок 2 - Оптический сортировщик волокна FiberCam-100

Фактическая влажность ( Wф ) в процентах вычисляется по формуле:

т, - т„

Wф = В„,с С * 100 %, где mВ - масса элементарной пробы до высушивания, г; mС - масса элементарной пробы после высушивания до постоянной массы, г;

Гигроскопические свойства текстильных изделий характеризуют их способность поглощать и отдавать водяные пары, воду. Кукин Г.Н. и Соловьев А.Н. предлагают следующую методику определения гигроскопичности волокон [3]. 3 элементарные пробы в открытых стаканчиках для взвешивания помещают в эксикатор с водой на 4 ч. Затем стаканчики закрывают, вынимают из эксикатора, взвешивают и высушивают до постоянной массы при указанной выше температуре. После высушивания и охлаждения в эксикаторе стаканчики с элементарными пробами взвешивают.

Гигроскопичность ( Н ) в процентах вычисляют по формуле

Н =

тв - т

* 100 %,

где m_В - масса увлажненной элементарной пробы, г; m_С - масса элементарной пробы после высушивания до постоянной массы, г;

За окончательный результат испытаний принимают среднее арифметическое результатов определений, вычисленное с погрешностью не более 0,01 % и округленное до 0,1%.

Согласно микроскопическому анализу древесное волокно представляет собой трубочку, сплюснутую в зависимости от толщины стенок. На микроскопических снимках ДВМ отчетливо виден канал – характерная особенность всех растительных волокон (рис. 3).

Оцененный процент ДВ и ДП, количество исследованных частиц составили 98,80 % (139 601) и 96,80 % (121 914) соответственно. Наибольшее число древесных волокон приходится на длину 0,06–0,10 мм и составляет 20,20 %, на ширину 0,01-0,02 мм (35,60 %), на толщину 0,30–0,60 мм (35,90 %); наибольшее число частиц древесной пыли приходится на длину, ширину и толщину 0,05–0,50 мм и составляет 30,00 %, 85,80 %, 65,10 % (рис. 4–9).

Рисунок 3 - Древесная пыль (слева) и древесные волокна (справа)

Рисунок 4 - Диаграмма распределения ДВ по длине

40,0%

Размер волокна, мм

Рисунок 5 - Диаграмма распределения ДВ по ширине

40,0%

Рисунок 6 - Диаграмма распределения ДВ по толщине

35,0%

Рисунок 7 - Диаграмма распределения ДП по длине

Рисунок 8 - Диаграмма распределения ДП по ширине

Рисунок 9 - Диаграмма распределения ДП по толщине

Средние значения длины и толщины древесного волокна и частиц древесной пыли представлены на рисунке 10.

Влажность древесно-волокнистой массы обусловлена ее химическим составом и строением, а именно наличием в каждом элементарном звене целлюлозы гидрофильных атомных групп. Древесное волокно обладает значительно превосходящими показателями гигроскопичности и влажности относительно древесной пыли (рис. 11), что связано с больши- ми размерами внутренней поверхности волокна и ее доступности для водяных паров. В частности, влажность зависит от предыстории волокна: ДВ прежде чем попасть в отходы проходит длительный процесс сушки в специальных транспортных трубах. Отходы древесной пыли образуются в результате шлифовки уже готовой продукции ДВП и МДФ из древесины хвойных пород марок 140,180, которые считаются пригодными для использования их в качестве наполнителей полимерных композитов.

Размер, мм вдп ОДВ

Рисунок 10 - Средние значения ширины, толщины и длины ДВМ

Размер, мм □ ДП аДВ

Рисунок 11 - Средние значения влажности и гигроскопичности ДВМ

Таким образом, проведенные исследования позволяют рекомендовать использование древесного волокна в качестве наполнителя для создания полимерных композиционных материалов для деталей низа обуви, так как ДВМ обладает относительно постоянной влажностью, невысокой гигроскопичностью. Предполагается, что введение тонкодисперсного древесного наполнителя позволит улучшить комплекс физико-механических свойств композита.