Композиционные материалы на основе древесных частиц с защитными свойствами от рентгеновского излучения

На правах рукописи

Мялицин Андрей Владимирович

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ С ЗАЩИТНЫМИ

СВОЙСТВАМИ ОТ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Екатеринбург 2012

Диссертационная работа выполнена на кафедре механической обработки древесины Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный лесотехнический университет».

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Ветошкин Ю.И.

Официальные оппоненты:

Глухих Виктор Владимирович доктор технических наук, профессор кафедры технологии переработки пластических масс ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» Денисов Сергей Викторович кандидат технических наук, доцент кафедры технологии деревообработки ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный технологический университет».

Защита диссертации состоится «26» апреля 2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный лесотехнический университет», 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт 37, зал заседаний – аудитория 401.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный лесотехнический университет».

Автореферат разослан «23» марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Куцубина Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Развитие и широкое применение источников ионизирующих излучений в различных областях науки и техники создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами.

Применяемые средства защиты от ионизирующего излучения имеют различные как защитные, так и эксплуатационно-декоративные свойства. Одни недостаточно долговечны, другие неудобны в процессе использования и монтажа, третьи – недостаточно привлекательны по цвету, фактуре, четвертые – дороги.

В связи с чем, разработка новых защитных материалов простых в применении, менее дорогих и с высокими дизайнерскими свойствами – является важной проблемой в модернизации и оснащении рентген-кабинетов и других специализированных помещений.

Цель работы Разработка древесно-клеевых композиций с природным наполнителем и режимных параметров изготовления композиционных материалов с защитными свойствами от рентгеновского излучения.

Объект исследования Способ формирования композиций из разнородных материалов.

Предмет исследования Технологические особенности создания композиций, эксплуатационные свойства, режимы, рецептуры получения композиций и изделий из них.

Научной новизной обладают

1. Композиционный материал специального назначения - ПЛИТОТРЕН.
2. Структуры древесно-клеевой композиции конструкционных рентгенозащитных материалов. Разработанные структуры древесно-клеевой композиции конструкционных рентгенозащитных материалов, согласно патентным исследованиям, не имеет аналогов в мире.
3. Математические модели, позволяющие связать ожидаемое значение физико-механических и рентгенозащитных показателей с рациональными значениями количества компонентов древесно-клеевой композиции.
4. Математические модели, описывающие закономерности изменения процесса изготовления композиции, учитывающие специфику процесса, позволяющие обосновать параметры технологических режимов изготовления ПЛИТОТРЕНА.
5. Методика количественной оценки степени защиты полученного композиционного рентгенозащитного материала.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Рецептура древесно-клеевой композиции рентгенозащитного материала с регулируемой степенью защиты и плотности.

2. Основные закономерности формирования структуры композиционного материала, обеспечивающие однородность материала по толщине, улучшения контактного взаимодействия древесных частиц и наполнителя, равномерной плотности материала, стабилизации физико-механических и защитных свойств материала.

Обоснованность выводов и рекомендаций.

Достоверность предложений и выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Результаты теоретических и лабораторных экспериментов подтверждаются протоколами экспертизы ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Свердловской области».

Регрессионные модели достаточно точно воспроизводят описываемые явления, а их адекватность подтверждается в соответствии с общепринятыми методиками.

Практическая значимость работы заключается в том, что применение полученного композиционного материала – ПЛИТОТРЕН (плита от рентгена), представленного в виде композиционных плит специального назначения, составит конкуренцию существующим строительным материалам для обустройства помещений, требующих защиты от рентгеновского излучения. На основе полученного материала предложены технические решения по изготовлению оборудования (дверных блоков, ширм, экранов, стеновых панелей) для оформления рентген-кабинетов и других специализированных помещений.

На основе материала ПЛИТОТРЕН были разработаны многовариантные конструкции композиционного материала, обладающие регламентированными рентгенозащитными свойствами.

Технология изготовления композиционного материала ПЛИТОТРЕН соответствует типовым схемам изготовления композиционных материалов.

Место проведения. Работа выполнена на кафедре Механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета

(г. Екатеринбург).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили положительные оценки на:

III всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов УГЛТУ, г. Екатеринбург 2007 г.;

IV всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов УГЛТУ, г. Екатеринбург 2008 г.;

II международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXIвека» г. Екатеринбург 2007 г;

IV международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXIвека», г. Екатеринбург 2009 г;

Молодежно-научно-инновационном конкурсе «УМНИК» по направлению «Химия, новые материалы, химические технологии», г. Екатеринбург 2009 г.;

Конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки»
г. Красноярск 2009 г.;

Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития производства древесных плит», г. Балабаново 2010 г.

За разработку и производство композиционных рентгенозащитных материалов на основе древесины был получен диплом в рамках выставки «Строительный комплекс Большого Урала», г. Екатеринбург 2006 г.

Материалы диссертации представлены в отчете о научно-исследовательской работе «Переработка древесины» Министерство промышленности, энергетики и науки Свердловской области, г. Екатеринбург 2006 г.

Материалы представлены на выставке « Деревообработка. Клеи и герметики», г. Екатеринбург, 31 октября – 4 ноября 2006 г.

Получен диплом второй степени по научной работе «Композиционные рентгенозащитные материалы на основе древесных отходов», Правительство Свердловской области. Министерство природных ресурсов. г. Екатеринбург 2007 г.

За разработку рентгенозащитного материала «ПЛИТОТРЕН» на основе древесины получен диплом в рамках выставки «Домостроение-Оборудование-Технологии», г. Екатеринбург 2007 г.

По результатам работ проведены опытные запрессовки на сырье ООО «Режевского леспромхоза». Изготовлены стеновые панели из композиционного рентгенозащитного материала ПЛИТОТРЕН на действующем оборудовании, с применением материалов используемых в производстве мебели ФГУП Химический завод «Планта» г. Нижний Тагил.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Объем диссертации и ее структура

Диссертация состоит из введения, 8 разделов, выводов и рекомендаций, библиографического списка включающего 89 наименований, приложений. Общий объем работы 150 страниц, 38 рисунков, 24 таблицы, 22 страницы приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научные положения, выносимые на защиту. Раскрывается научная новизна работы, значимость ее результатов для науки и практического применения. Содержатся данные о месте проведения и апробации работы, апробация результатов работы в промышленности, структуре и объеме диссертации.

В первом разделе выполнен анализ композиционных материалов, применяемых для защиты от рентгеновского излучения. Проблемами изготовления композиционных рентгенозащитных материалов на основе древесины занимались: Щетинин Ю. И, Исаева Л. Н, Скорняков Н. Н, Берсенев А. П., Яцун И. В., Ветошкин Ю. И. и другие.

Весь массив отобранных в процессе поиска документов проанализирован для выявления основных тенденций технического развития по рассматриваемой теме и задач в исследуемых объектах. Существующие материалы, защищающие от рентгеновского излучения, представлены на рис. 1.

В результате анализа состояния вопроса было установлено, что тематика по исследованию формирования композиционных материалов на основе древесных частиц, обладающих специфическими (например, защитными свойствами от рентгеновского излучения), отвечает современным требованиям прогрессивного развития отрасли и актуальность ее не вызывает сомнения.

Во втором разделе рассматриваются теоретические закономерности процесса ослабления рентгеновского излучения древесиной и композиционным материалом ПЛИТОТРЕН. Для изучения влияния толщины материала при его формировании на степень защиты, представили конструкцию пластинки ПЛИТОТРЕНА площадью и толщиной Т, как конструкцию, состоящую из трех слоев: I – связующего, II – древесных частиц, III – минерального наполнителя (рис.2).

Рис. 1. Материалы, применяемые для защиты от

рентгеновского излучения

Рис. 2. Структура композиционного материала

При прохождении рентгеновских лучей интенсивностью через пластинку ПЛИТОТРЕНА, снижение интенсивности излучения слоем связующего (смолы) толщиной не меняется, т.к. оказывает незначительное влияние на интенсивность излучения.

На основании закона ослабления рентгеновских лучей:

для слоя из древесных частиц

; (1)

для слоя из минерального наполнителя

, (2)

где – мощность дозы рентгеновского излучения в воздухе, измеренная в данной точке в отсутствии защитного материала, кэВ;

– массовый коэффициент ослабления, см2/г;

– мощность дозы рентгеновского излучения в воздухе, измеренная в данной точке за слоем защитного материала толщиной T, кэВ;

– рентгеновская плотность материала, г/см3.

Суммарная толщина слоя древесных частиц и слоя минерального наполнителя равна:

, (3)

или после преобразований

. (4)

Так как производная функции положительна на отрезке [0,1], то функция строго монотонно возрастает на этом отрезке. При она достигает наименьшего значения, которое равно

, (5)

а при она достигает наибольшего значения

. (6)

Формулы (5,6) позволяют определять максимальную и минимальную толщину листа соответственно в зависимости от начальных условий , и, кроме того, определять толщину разработанного материала, удовлетворяющую начальным условиям, для любого , при этом сохраняются оптимальные пропорции составляющих.

Равенство (4) показывает, что толщина материала является функцией параметра . Графически полученное выражения представлено на рис. 3.

Полученные выражения для определения толщины композиционного материала ПЛИТОТРЕН позволяют расчетным путем определять изменение интенсивности рентгеновского излучения в зависимости от требований заказчика.

В третьем разделе рассматриваются направления исследований, содержатся основные методические положения проведения экспериментов и обработки их результатов, приводятся характеристики используемых материалов, применяемого оборудования и приборов.

В данном разделе представлены новые методики по оценке защитных свойств разработанного композиционного материала.

Рис. 3. Зависимость интенсивности излучения от толщины композиционного материала ПЛИТОТРЕН: 1 – начальная мощность излучения 100 КэВ; 2- начальная мощность излучения 50 КэВ; 3 – начальная мощность излучения 75 КэВ.

Через полученные образцы и свинцовую пластину толщиной 1 мм пропускали рентгеновские лучи на рентгеновском аппарате (время экспозиции
0,12 с; мощность 70 кВт; сила тока 25мА). Результат фиксировался на пленке Ренекс РПЗ-2. Степень защиты материала оценивалась по фотометрической контрастности изображения на рентгенограмме (рис.4). В качестве тестового материала во всех опытах применяли свинцовую пластину толщиной 1 мм как общепринятый свинцовый эквивалент.

Рис. 4. Схема определения защитных свойств ПЛИТОТРЕНА с помощью люксметра:

1 – источник света; 2 – стекло; 3 – калька;

4 – рентгенограмма образцов; 5 – окно; 6 – датчик; 7 – люксметр.

С целью установления диапазонов варьирования переменных факторов проводился классический эксперимент. Для проведения многофакторных опытов использовался план Бокса В3. Полученные опытные данные оценивались посредством первичной обработки результатов экспериментов методами математической статистики. Проверка однородности дисперсий опыта проводилась по критерию Кохрена, значимость коэффициентов регрессии проверяли посредством критерия Стьюдента, адекватность представления поверхности отклика уравнением регрессии по критерию Фишера. Определение рациональных значений параметров древесно-клеевой композиции с величиной рентгенозащитных свойств равной 1 мм свинца определяли с помощью матрицы Гессе и пакета поиска оптимального решения Microsoft Excel.

В четвертом разделе приведены результаты исследований влияния компонентов древесно-клеевой композиции на физико-механические и рентгенозащитные показатели ПЛИТОТРЕНА. Определены факторы, оказывающие существенное влияние на состав композиции и эксплуатационные показатели композиционного материала.

Проведена статистическая обработка результатов экспериментов, на основании которых были получены уравнения регрессии второго порядка, адекватно описывающие физико-механические показатели композиционного материала специального назначения:

; (7)

; (8)

; (9)

; (10)

; (11)

(12)

Формулы (7,8,9,10,11,12) справедливы для условий: Х1=0,180,26 кг; Х2=0,81,2 кг; Х3= 0,60,8 кг;

где У1 ­– предел прочности при статическом изгибе, МПа;

У2 - плотность композиционного материала ПЛИТОТРЕН, кг/см3;

У3 - величина разбухания по толщине, %;

У4 - величина водопоглощения, %.

У5 - твердость по Бринеллю, кгс/мм2;

У6 ­– величина кратности ослабления определенная с помощью блескомера;

Х1 - количество связующего, кг;

Х2 - количество минерального наполнителя, кг;

Х3 - количество древесных частиц, кг.

Графическая интерпретация полученных зависимостей выходных параметров от управляющих факторов приведена на рис. 5 – 8.

Рис. 5. Влияние количества древесных частиц и минерального наполнителя на твердость по Бринеллю композиционного рентгенозащитного материала (количество связующего постоянное)		Рис. 6. Влияние количества минерального наполнителя и древесных частиц на величину плотности композиционного рентгенозащитного материала (количество связующего постоянное)
	Рис. 7. Влияние количества минерального наполнителя и древесных частиц на величину кратности ослабления композиционного рентгенозащитного материала (количество связующего постоянное)	Рис. 8. Влияние количества древесных частиц и связующего на величину кратности ослабления композиционного рентгенозащитного материала (количество минерального наполнителя постоянное)