В настоящее время перед деревообрабатывающей промышленностью остро стоит вопрос поиска путей создания особого материала для средств защиты от различного рода излучений с использованием природных ресурсов, в частности малоценной древесины и отходов деревообработки. Эту задачу помогут разрешить древесные композиционные материалы. Одним из самых распространенных на Земле естественных композиционных материалов является древесина. Древесина – это легкий и в то же время прочный материал, который хорошо поддается механической обработке, обладает уникальным комплексом свойств [2].

Древесные композиционные материалы могут изготавливаться путем прессования, прокатывания, литья под давлением. Древесные композиты позволяют изготавливать любые элементы интерьера, архитектурный декор, полы, настенные облицовки, встроенное оборудование и т.д. Исследования и эксперименты по разработке технологий, поиску новых связующих, способов формования, воздействия на конечные свойства композитов обусловливаются следующими причинами:

- ужесточение экологических и гигиенических требований во многих странах требуют создания материалов, безопасных для потребителей, не создающих проблем для окружающей среды при производстве и утилизации;

- рыночные отношения требуют разработку новых материалов с разнообразными качествами: не только технологических, но и сочетающих «натуральность» с современными технологиями, соответствующих представлением общества о взаимоотношении человека с природой [1,6,7].

Древесину в ее различных модификациях, как конструкционные основы, возможно использовать для создания композиционных материалов со специфическими свойствами для защиты от различного рода излучений: радиоволн, инфракрасного, оптического, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений. Защита от излучений нормируется нормами СанПина. Данные правила распространяются на проектирование, строительство, а также на разработку и производство рентгеновского медицинского оборудования и защитных средств [3].

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 [5].

Очень часто возникает вопрос о замене свинца каким-либо другим более экологически безопасным материалом. В настоящее время на отечественном рынке предлагается широкая гамма разнообразных материалов, способных выполнять роль защиты от излучений, в том числе и в качестве замены свинца [5].

В лабораториях УГЛТУ проводились научно-исследовательские поисковые и экспериментальные работы по разработке защитного материала на основе древесины, направленные на исключение вредного свинца и его производных из композиции. Разработанные конструкции композиционных материалов, согласно патентным исследованиям, не имеют аналогов в мире. Новый композиционный материал «DS-1» обладает рентгенозащитными свойствами (рис. 1).

Рис. 1. Композиционный материал «DS -1»

Созданный защитный композиционный материал «DS-1» представляет собой аналог уже существующих древесных плит, таких как ДСтП и МДФ. Разработанный материал имеет ряд преимуществ перед другими древесными материалами. Для его получения используется низкокачественная древесина, отходы деревообрабатывающих производств, а также опилки фракции менее 2 мм.

Для снижения токсичности плит было использовано новое связующее со значительным сокращением доли свободного формальдегида, одновременно с высокими показателями по техническим характеристикам. Производство плит с применением нового связующего компонента менее затратно, чем производство уже существующих плит.

Для получения защитных свойств от излучений в состав материала входит минеральный наполнитель сульфат бария (BaSO4), который не является токсичным для организма веществом, в отличие от всех растворимых солей бария, и именно поэтому возможно его применение в качестве рентгенозащитного вещества. Присутствие данного наполнителя улучшает теплоизоляцию и огнестойкость материала.

При изготовлении плиты «DS-1» необходимо определить ее размеры, в частности ее толщину, чтобы после прохождения рентгеновских лучей через данную плиту, интенсивность рентгеновского излучения снизилась с начальной величины до величины , т.е. на величину .

Практические исследования показали, что полученное оптимальное соотношение составляющих ингредиентов при изготовлении плиты «DS-1» (табл. 1) позволило получить композиционный материал, который обладает высокими показателями, превосходящими характеристики уже существующих плит, в частности: более высокие показатели всех физико-механических свойств, полученный материал практически не токсичен (по уровню выделения свободного формальдегида соответствуют классу Е0), экологически чистый; обладает хорошей теплоизоляцией; защищает от рентгеновского излучения; имеет наиболее высокую огнестойкость; легко обрабатывается; крепится как плиты ДСтП и МДФ.

Таблица 1. Ингредиенты материала «DS-1»

Как видно из таблицы 1, отходы деревообработки (опилки, древесная пыль) имеют разнородную структуру, которая существенно отличается от структуры древесины, поэтому величины коэффициента ослабления единицей массы древесины и рентгеновской плотности древесины могут существенно отличаться от величин (размерность ) и наполнителя (опилки, древесная пыль). В научной литературе данные о величине коэффициента ослабления единицей массы наполнителя и рентгеновской плотности наполнителя отсутствуют. Однако в дальнейшем для определения толщины плиты «DS-1», которая понижает интенсивность рентгеновского излучения с начальной величины до величины , нам потребуется знать не величины и , а величину их произведения, т.е.[4].

Пусть на прессованную пластинку (наполнитель + клей), имеющую поперечное сечение и толщину , падает пучок рентгеновских лучей интенсивности, имеющий поперечное сечение . Клей как связующее вещество, используемый при изготовлении «DS-1», практически не изменяет интенсивность проходящих через нее рентгеновских лучей. Поэтому будем считать, что после прохождения через прессованную пластинку рентгеновских лучей интенсивность излучения уменьшается массой наполнителя до величины [4].

Объем древесины в прессованной пластинке численно равен . Тогда на основании закона ослабления рентгеновских лучей можем записать:

.

Логарифмируя последнее равенство по натуральному основанию, получим

.

Откуда получаем

. (1)

Таким образом, мы показали, что величина произведения может быть получена экспериментально [4].

В дальнейшем мы будем рассматривать пластинку «DS-1» (рис.2 а). В общем случае пластинка может иметь несколько слоев (рис.2 б). Количество слоев в пластинке обычно определяется исходя из прочностных требований.

Рис 2. 1 – шпон; 2 – наполнитель с клеем и баритом

Рассмотрим некоторый объем, состоящий из различных веществ. Так как фотоэлектрическое поглощение рентгеновских лучей в веществе – процесс атомный и расчет величины ослабления интенсивности можно проводить, учитывая не толщину слоя, а количество вещества (его массу), находящегося в облучаемом объеме, то величина ослабления рентгеновских лучей одним из веществ, содержащимся в рассматриваемом объеме, не зависит от расположения частиц этого вещества. Опираясь на этот факт, можем рассматривать пластинку «DS-1» сечением и толщиной Т как пластинку, состоящую из четырех слоев: I – клей, II – шпон, III – барит, IV - наполнитель (рис. 3).

Рис. 3. Слои пластинки

Пусть на пластинку «DS-1», состоящую из четырех слоев, имеющую поперечное сечение и толщину , падает пучок рентгеновских лучей интенсивности . Известно, что клей как связующее, оказывает незначительное влияние на снижение интенсивности излучения. Поэтому будем считать, что интенсивность рентгеновских лучей после прохождения слоя клея толщиной не меняется и составляет .

Толщина второго слоя (шпона) равна , где толщина одного листа шпона. Тогда на основании закона ослабления рентгеновских лучей можем записать

, (2)

где величина может быть определена экспериментально [4].

Последнее равенство означает, что на поверхность третьего слоя (слой барита) падает пучок рентгеновских лучей интенсивности .

После прохождения третьего слоя (барита) на основании закона ослабления рентгеновских лучей имеем

.

Учитывая, что , имеем

.

Подставив значение из равенства (2), получим

(3)

Из последнего равенства следует, что на поверхность четвертого слоя (наполнителя) пучок рентгеновских лучей интенсивности .

Снова воспользуемся законом ослабления рентгеновских лучей, имеем

.

Подставляя в последнее равенство значение величины из равенства (3), получим

(4)

Прологарифмировав равенство (4) по натуральному основанию, учитывая равенство (1), получим

Отсюда получаем

. (5)

Таким образом, получили, чтобы при прохождении пучка рентгеновского через пластинку «DS-1» интенсивность излучения понизилась с величины до величины , толщина пластинки должна быть равна величине, определяемой равенством (5) [4].

Так как «DS-1» может быть использован для защиты от рентгеновского излучения и может быть использован в качестве замены свинца, то представляет интерес формула, которая позволит определять необходимую толщину листа «DS-1», позволяющую заменить лист свинца толщиной .

На основании закона ослабления рентгеновских лучей при прохождении пучка рентгеновского излучения через свинцовую пластинку можем записать

, (6)

где: толщина пластинки свинца;

коэффициента ослабления единицей массы свинца;

рентгеновская плотность свинца.

Кроме того, также на основании закона ослабления рентгеновских лучей при прохождении пучка рентгеновского излучения через пластинку «DS-1» можем записать

, (7)

где: искомая толщина пластинки «DS-1»;

коэффициента ослабления единицей массы «DS-1»;

рентгеновская плотность «DS-1».

Приравнивая правые части равенств (6) и (7), получим

.

Логарифмируя последнее равенство, получим

, (8)

Таким образом, получили, что лист свинца толщиной может быть заменен листом «DS-1» толщиной , величина которой определяется равенством (8), при этом интенсивность пучка рентгеновского излучения после прохождения через лист «DS-1» будет понижена до такой же величины , как и после прохождения этого же пучка рентгеновского излучения через свинцовую пластинку [4].

Оценивая научно-технический уровень выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области, можно констатировать, что внедрение перспективного композиционного материала «DS-1» поможет решить проблему комплексного использования древесного сырья, а также ряд других, в том числе экономических, экологических и энергосберегающих проблем.

Рецензенты:

Герц Э.Ф., д.т.н., профессор, директор института лесопромышленного бизнеса и дорожного строительства ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», г. Екатеринбург.

Пашков В.К., д.т.н., профессор кафедры инновационных технологий и оборудования деревообработки ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», г. Екатеринбург.