3.2 Результаты эксперимента и их обсуждение

3.2.1 Характеристика исходного сырья

Углеродное волокно. Углеродное волокно (УВ) – материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выравненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. К настоящему времени углеродные волокна в основном получают из трех материалов – полиакрилонитрильного волокна, вискозного корда и пеков. Виды углеродного волокна приведены в графической части дипломного проекта на листе 2.

Углеродные волокна обладают уникальными механическими свойствами, у них достаточно высокая прочность и модуль упругости. Причем при повышении температуры механические свойства не уменьшаются, а наоборот, возрастают.

Среди всех материалов только углеродные волокна обладают такими специфическими свойствами. Углеродные волокна стойки к органическим растворителям, щелочам и кислотам, но недостаточно стойки к действию окислителей. При этом, как показывает практика изготовления, изменяя параметры технологического процесса, можно получать волокна с различными электрофизическими свойствами, благодаря чему они применяются для изготовления разнообразных по назначению электронагревательных элементов. Кроме того, углеродные волокна можно получать с очень высокой активной поверхностью, для применения их в качестве эффективных сорбентов. Предел прочности на растяжение углеродных волокон составляет порядка 500–3000 МПа. Для экспериментов использовалось углеродные волокна трех образцов с предприятия ОАО «СветлогорскХимволокно». Характеристики используемого волокна приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Характеристики углеродного волокна

Наименование образца	Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом∙см	Фактическая влажность, %	Массовая доля золы, %	Диаметр, мм
Образец 1	0,42	0,3	0,04	4
Образец 2	0,44	0,2	0,05	6
Образец 3	0,43	0,1	0,04	8

Как видно из таблицы, с увеличением диаметра растет удельное объемное электрическое сопротивление и снижается фактическая влажность. Характеристика углеродного волокна и древесного сырья приведена в графической части дипломного проекта на листе 3.

3.2.2 Результаты проведенных испытаний

Фракционный состав древесного сырья и углеродного волокна. Результаты фракционирования древесных частиц представлены на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Фракционный состав древесных частиц

Для дальнейших испытаний были выбраны фракции 3,15/2,0 и 2,0/1,0.

Результаты фракционирования УВ представлены на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Фракционный состав УВ

Как видно из диаграммы, большая часть углеродного волокна осталась на сите диаметром 1 мм.

Смешение древесного сырья и углеродного волокна. Для изготовления МДП требуется 6 г сырья. Расчет углеродного волокна ведем по формуле 3.1.

Массу стружки, , г, находим как разница требуемой навески и требуемого количества углеродного волокна по формуле 3.2.

Для изготовления брусков требуется 15 г сырья. Расчет углеродного волокна ведем по формуле 3.1.

Массу стружки, , г, находим как разница требуемой навески и требуемого количества углеродного волокна по формуле 3.2.

Для изготовления пеллет требуется 11 литров сырья. Зная насыпную плотность древесной стружки (ρ = 200 кг/м³), найдем необходимое количество в килограммах по формуле

где ρ – насыпная плотность, кг/м³;

V – требуемый объем сырья, м³.

Отсюда масса углеродного волокна

Получение твердого биотоплива. Полученные образцы в виде МДП представлены на рисунке 3.7. Получение лабораторных образцов твердого биотоплива представлено в графической части дипломного проекта на листе 4.

Рисунок 3.7 – Полученные образцы в виде МДП с УВ

Параметры прессования: температура – 130℃; давление – 100 кН; время прессования – 5 мин.

Полученные образцы в виде брусков представлены на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Полученные образцы в виде брусков с УВ (слева) и без УВ (справа)

Параметры прессования: температура – 130℃; давление – 100 кН; время прессования – 10 мин.

Полученные пеллеты с УВ представлены на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Полученные пеллеты с УВ

Диаметр пеллет – 8 мм. Образцы были получены на кафедре кафедре ТДП.

Испытание на физико-механические свойства.

Определение влаги гранул высушиванием. При высушивании пеллет при 105℃ влажность W составила W = 1,46%.

Исследования влияния вибрации на механическое истирание пеллет приведены в следующих расчетах.

Механическая прочность при истирании пеллет без УВ

Механическая прочность при истирании пеллет с УВ

Как видно из приведенных расчетов, пеллеты с углеродным волокном лучше поведут себя при механическом истирании, которое может возникать при перевозке транспортом.

Определение механической прочности брусков. Результаты испытаний механической прочности брусков (контроль и с углеродным волокном) приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Результаты испытаний механической прочности брусков

Наименование показателя	№ испытания	Без добавления УВ	С добавлением УВ
1	2	3	4
Разрушающее усилие, Н	1	41,1	54,4
	2	31,3	46,8
	3	45,2	56,4
	4	30,85	37,6

Продолжение таблицы 3.3

1	3	4
Среднее значение, Н	37,1	48,8
Стандартное отклонение, Н	7,15	8,55
Коэффициент вариации, Н2	19,28	17,52

Как видно из таблицы, бруски с добавлением углеродного волокна обладают большей прочностью. Степень рассеивания коэффициента вариации является средней, она зависит от количества параллельных измерений.

Определение теплотворной способности гранул. Теплотворная способность твердого биотоплива без добавления углеродного волокна равна

Теплотворная способность твердого биотоплива с добавлением углеродного волокна равна

Как видно из расчетов, пеллеты с добавлением углеродного волокна в состав композиции обладают большей теплотворной способностью, которая в нашем случае зависит от количественного содержания углерода и от относительной влажности.

Спектроскопический анализ. Результаты ИК-спектроскопии представлены на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 – Результаты спектроскопического анализа

Сравнивая результаты ИК-спектроскопии образцов гранул без добавления углеродного волокна и с добавлением углеродного волокна можно сделать вывод, что внутри структуры двух образцов изменений практически не наблюдается.

В области 3000–4000 см^-1, где происходят валентные колебания ОН-связей, практически не наблюдается изменений. Однако, для образцов пеллет с углеродным волокном полоса поглощения в этой области имеет несколько более широкий контур со сдвигом его максимума в сторону больших частот, что указывает на возможность образования новых водородных связей.

В области 1400–1450 см^-1 не наблюдается изменений по структуре лигнина.

Исходя из полученных значений в результате ряда проведенных экспериментов можно сделать вывод, что добавление углеродного волокна в качестве наполнителя в композицию твердого биотоплива приводит к увеличению прочности на 15–25% в сравнении с образцами без добавления углеродного волокна.

Пеллеты с добавлением углеродного волокна обладают большей теплотворной способностью в сравнении с пеллетами без углеродного волокна, также пеллеты с углеродным волокном обладают лучшей прочностью на истирание, что увеличивает их транспортабельность.

В результате ИК-спектроскопии сделан вывод о том, что в структуре пеллет с добавлением углеродного волокна возможно образование новых водородных связей, что способствует увеличению их прочности.

Результаты физико-механических показателей твердого биотоплива приведены в графической части дипломного проекта на листе 5.