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»
|
№п/п |
Ингредиенты DS-1 |
||
|
1 |
Наполнитель (опилки, фракция менее 2 мм) |
опилки 1–2 мм |
20 % |
|
опилки 0,25–1 мм |
25 % |
||
|
древесная пыль |
55 % |
||
|
2 |
Барит (BaSO4, порошок) |
||
|
3 |
Клей |
||
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.