Влияние объема древесных опилок на механические свойства композитного материала

Введение. В современной производственной практике довольно широко используются композитные материалы на основе полимеров, армированных различными примесями. Основные преимущества примесей из древесины (опилки, стружка) — их приемлемая стоимость и доступность [1, 2].

Для определения соотношений волокон древесных опилок использовалась вибрационная установка с набором сит. В итоге были выбраны три объема опилок (5 мм3, 25 мм3, 120 мм3) [2, 3, 4]. В ходе экспериментов образцы подвергались трем видам нагрузки (давлению, сдвигу и изгибу) для определения влияния объема опилок на прочностные характеристики композитных материалов.

В 2001 году образцы с древесным наполнителем подвергались опытам, целью которых было установить качество сцепления между волокнами и связующим материалом. Результаты позволяют утверждать, что армирование древесными волокнами увеличивает сопротивление материала [3]. В том же году проводились эксперименты, доказавшие, что обработка глицероловой кислотой повышает прочность на разрыв образцов, армированных древесными опилками [3].

В ходе опытов 2002 года древесина и древесное волокно подвергались химической обработке с использованием MAPP (maleated polypropylene — малеиновый полипропилен). Выясилось, что у таких образцов выше прочность на разрыв и изгиб [5].

В 2006 году проводились эксперименты по обработке поверхности древесины NaOH и CICH2COOH. Опыты показали, что такое воздействие позволяет достичь высоких показателей по прочности на разрыв [6].

В рамках данного исследования планируется продемонстрировать целесообразность проведения химической обработки для улучшения свойств композиционных материалов.

Материалы и методы. Древесные опилки (объемом 5 мм³, 25 мм³, 120 мм³) [1] обрабатывались водой при комнатной температуре в течение 2, 4, 6 и 8 дней.

100 граммов древесных опилок помещали в пластиковый контейнер, заливали 1 литром воды и оставляли на 2, 4, 6 и 8 дней. Затем воду сливали и заливали массу дистиллированной водой на 1 час. По истечении этого времени опилки вынимали и сушили в печи в течение 24 часов при температуре 110 0 С. Далее все исследования проводились также при комнатной температуре.

Результаты исследования

Определение потери веса обработанных опилок

Использовались по 10 г опилок разных объемов (5 мм 3 , 25 мм 3 , 120 мм 3 ), обработанных описанным выше способом. После обработки образцы рассматривали под оптическим микроскопом. В этом случае потеря веса опилок равна разности веса до и после обработки. Соотношение потерь веса рассчитывается следующим образом:

W 0

- W₁

W 1

= W %,

где W 0 — вес образца волокна до обработки (г); W 1 — вес образца волокна после обработки (г); W % — процент потери веса (рис. 1).

Машиностроение и машиноведение

Рис. 1. Зависимость потери веса древесных опилок от продолжительности обработки водой

График показывает, что опилки объемом 120 мм 3 теряют в весе не намного больше, чем опилки объемом 25 мм 3 (разница — около 4 %). Если же сравнивать опилки объемом 5 мм 3 и 120 мм 3 , то потери веса последних выше в 8 раз. При этом у всех образцов потеря веса напрямую зависит от времени обработки (чем дольше испытания, тем меньше вес). При воздействии воды в течение длительного времени в жидкость переходит часть растворимых веществ, поэтому после промывания и высушивания материал становится легче.

В дальнейших экспериментах рассматривались по три образца из композита. Для его получения опилки различного объема (5 мм 3 , 25 мм 3 , 120 мм 3 ) пропитывались 10-процентным полиуретановым эфиром, хорошо перемешивали, добавляли затвердитель и выливали смесь в пресс-формы. Полиэстер составлял 90 % всей массы образца.

Испытание на изгиб композитных материалов

Для проведения опытов были подготовлены образцы композитного материала 8x15x160 мм по ASTM D 790 [7, 8].

Сопротивление изгибу измерялось в трех точках. На рис. 2 показан образец композитного материала, армированного опилками, перед испытанием на изгиб.

Рис. 2. Образцы композитного материала, армированного опилками, перед испытанием на изгиб

Сопротивление образца изгибу (МПа) определяется по формуле:

_ 3 ■ P ■ L °изг = 2 ■ в ■ t2 , где Р — сила нагрузки (Н), L — длина образца (мм), В — ширина образца (мм), t — толщина образца (мм).

Испытание на сжатие композитных материалов

Для проведения опытов были подготовлены образцы композитного материала 0 12,7x25,4 мм. Сопротивление измеряли в сжатом состоянии. Нагрузка прикладывалась до тех пор, пока не происходил разрыв. Образцы армированных опилками композитных материалов, подготовленных к испытанию, представлены на рис. 3. Сопротивление сжатию (МПа) определяется по формуле [9]:

Р стсж   f »

где Р — сила сжатия ( Н), F — площадь поперечного сечения (мм ² ).

Рис. 3. Образцы композитного материала, армированного опилками, перед испытанием на сжатие

Результаты испытаний на изгиб

Из рис. 4 видно, что образцы, изготовленные из опилок объемом 5 мм 3 , более устойчивы к изгибу.

Рис. 4. Изменение сопротивления изгибу в зависимости от периода обработки образцов

Максимальное сопротивление изгибу (230,88 МПа) продемонстрировал образец с опилками объемом 5 мм 3 после обработки в течение двух дней.

Образец 25 мм 3 демонстрировал максимальное сопротивление изгибу (98,6 МПа) при обработке в течение 8 дней. Образец 120 мм 3 демонстрировал максимальное сопротивление изгибу (194,55 МПа) при обработке в течение 4 дней.

Увеличение сопротивления изгибу в данном случае объясняется следующим образом. При обработке водой усиливается шероховатость поверхности опилок, увеличивается площадь взаимодействия с основой. Таким образом упрочняется сцепление между опилками и полиэфиром и, как следствие, увеличивается прочность образцов при изгибе.

Результаты испытаний на сжатие

Образцы из опилок объемом 5 мм 3 обладают меньшей прочностью на сжатие (в сравнении с образцами

Рис. 5. Изменение сопротивления сжатию в зависимости от периода обработки образцов

Машиностроение и машиноведение

Максимальное значение прочности на сжатие (156,67 МПа) демонстрируют образцы с опилками объемом 120 мм 3 , обработанные в течение четырех дней. Это объясняется тем, что при обработке водой на поверхности более крупных древесных опилок образуются углубления. Это приводит к усилению адгезии между опилками и основным полимером и повышает устойчивость композита к сжатию.

Обсуждение и заключения. Испытания образцов из композитных материалов, армированных древесными опилками и обработанных водой, позволяют сделать следующие выводы.

• 1.    Образцы из опилок объемом 120 мм 3 теряют в весе больше, чем образцы из опилок объемом 5 мм 3 и

• 25 мм3.

• 2.    Потеря веса образцов напрямую зависит от времени обработки водой.

• 3.    При обработке образцов водой первое резкое увеличение сопротивления изгибу наблюдается в тече-

• ние двух дней.

• 4.    Максимальное сопротивление изгибу (230,88 МПа) продемонстрировал образец с опилками объемом

• 5.    Максимальное сопротивление сжатию (156,67 МПа) продемонстрировал образец с опилками объемом 120 мм 3

5 мм ³ .