亞納米木粉的加工原理與運(yùn)動(dòng)分析1)

楊春梅 馬 巖 趙 越 孫永華

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

1 亞納米木粉的定義及加工形態(tài)分析

本研究定義納米和亞納米木粉的微粒包絡(luò)直徑尺寸應(yīng)該為1 000～40 000 nm的范圍，1 000～8 000 nm的稱為納米木粉粒子，8 000～20 000 nm的稱為亞納米木粉粒子，20 000～40 000 nm的稱為超細(xì)木粉，超過(guò)40 000 nm的稱為普通木粉。由于木材細(xì)胞的直徑達(dá)到了30 000～120 000 nm，所以本研究所定義的木粉尺寸已經(jīng)產(chǎn)生納米效應(yīng)。對(duì)現(xiàn)階段木材加工工業(yè)來(lái)講，直徑小于8 000 nm的木粉加工成本非常高，在加工工藝上也很難達(dá)到要求，且沒(méi)有找到具體應(yīng)用的方向，所以沒(méi)有開(kāi)發(fā)價(jià)值;而直徑大于40 000 nm的微粒就進(jìn)入普通木粉和砂光木粉的概念范疇。所以，對(duì)直徑為8 000～20 000 nm的亞納米木粉粒子的物理力學(xué)性能進(jìn)行研究，將在納米家族中有著不可替代的意義。

8 000～40 000 nm粒度的木粉，可以作為一種新型生物降解材料。有研究表明，將不同比例的復(fù)合松樹木粉(WF)和商業(yè)淀粉醋酸纖維素混合，進(jìn)行注塑形成裝飾材料，其機(jī)械和流變性能都有明顯的改善。并且隨著木粉目數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度和模量明顯改善;若木粉以微纖絲的形態(tài)出現(xiàn)，注塑成型的試樣將肯定表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能。木材也將成為天然納米材料中加工成本低、來(lái)源廣泛、和其它材料親和力好的材料之一［2－3］。

在加工8 000～40 000 nm粒度的木粉時(shí)，如果采取不同的加工方法，可以形成不同結(jié)構(gòu)的木粉，本研究討論切削法形成的亞納米木粉。亞納米木粉的粒度與形狀密切相關(guān)，需要進(jìn)行綜合分析。定義亞納米木粉的端面尺度小于8 000 nm，由于木纖維的各向異性，形成的亞納米木粉微粒沿纖維長(zhǎng)度方向的尺寸可能達(dá)到25 000 nm(見(jiàn)圖1)。

圖1 木粉微粒電鏡掃描圖

精細(xì)納米木粉的粒度小于2 000 nm，微粒沿纖維長(zhǎng)度方向可以小于3 000 nm，形狀上接近正方形。

亞納米木粉制備是通過(guò)專用設(shè)計(jì)的設(shè)備，利用刀具以12000 r/min的高速切削將鋸末或是碎的木纖維沖擊打碎。設(shè)備采用高速電主軸直接帶動(dòng)刀具以相同的速度旋轉(zhuǎn)，刀具磨出小楔角鋒利刀刃。鋸末被切削裂解成如圖3所示的截面形狀纖維。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比，其粒度已經(jīng)可以滿足液化的要求，并可以作為添加材料制成無(wú)醛木粉膠，其應(yīng)用前景非常好。

圖2 精細(xì)納米木粉的粒度

圖3 切削木材裂解纖維的截面形狀

2 亞納米木粉加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)與原理

亞納米木粉加工設(shè)備從進(jìn)料到出料，即從原料直接到成品，要經(jīng)3臺(tái)風(fēng)機(jī)和集料器分別從3處不同部位的出料口收集不同目數(shù)的木粉。加工設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖 4［4］。

原料從進(jìn)料口直接送入粉碎室篩網(wǎng)內(nèi)，在粉碎室中初期主要由高速旋轉(zhuǎn)的刀具組與固定的刀具組構(gòu)成剪切力而粉碎到超細(xì)木粉的粒度;當(dāng)加工到粒度約1 mm后，主要受到剪碎與沖擊碰撞雙重作用力，并在此作用力下繼續(xù)粉碎。物料由于重力的作用，部分會(huì)逐漸沉積到粉碎室底部，此時(shí)被一號(hào)風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的高速氣流帶出，通過(guò)進(jìn)料管一將其重新輸送到粉碎室進(jìn)行再次粉碎。

當(dāng)物料加工到規(guī)定的粒度時(shí)，達(dá)到目數(shù)要求的木粉會(huì)通過(guò)粉碎室中的篩網(wǎng)在二號(hào)風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下過(guò)濾出來(lái)。特別細(xì)的木粉吸附在粉碎室內(nèi)壁上，也有部分粉體吸附在篩網(wǎng)上，需要用刮板系統(tǒng)將其刮下并沉積到粉碎室底部，再由二號(hào)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流將其從出料管帶出。這些木粉通過(guò)集料管輸送至集料器二，即為成品，取出后可直接進(jìn)行包裝。

3、貼近農(nóng)機(jī)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和機(jī)具維修現(xiàn)場(chǎng)，課件制作素材來(lái)源廣泛。課件的制作需要素材，對(duì)于農(nóng)機(jī)培訓(xùn)來(lái)說(shuō)，素材的來(lái)源應(yīng)當(dāng)是相當(dāng)廣泛的。農(nóng)機(jī)駕駛培訓(xùn)中，教練的正確操作方法，可以拍成完整連貫的演示視頻，也可以抓重點(diǎn)動(dòng)作拍攝細(xì)節(jié)。對(duì)于錯(cuò)誤的操作動(dòng)作，也可以在視頻中將其反映出來(lái)，避免教練純粹口頭講解、學(xué)員難以理解的情況出現(xiàn)。機(jī)具技術(shù)培訓(xùn)中，可以將機(jī)具的各個(gè)細(xì)節(jié)組件和機(jī)構(gòu)動(dòng)作知識(shí)點(diǎn)的講解制作成視頻或PPT，在教學(xué)中播放。農(nóng)田中農(nóng)民作業(yè)和農(nóng)機(jī)維修點(diǎn)的維修現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期跟蹤，也可以積累獲取大量生動(dòng)素材。

受木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)的限制，納米木粉的大批量形成需要破胞得到，而對(duì)植物纖維破胞需要的破胞力非常大，設(shè)備的功耗也非常大。因此，在普通工藝下，亞納米木粉粉碎到一定粒度，達(dá)到其粉碎極限后，絕大部分無(wú)法繼續(xù)粉碎到納米級(jí);但偶爾得到一點(diǎn)納米木粉是可能的。所以，在加工過(guò)程中會(huì)有一部分接近納米級(jí)的非常小的微粒，受到氣流的影響懸浮于粉碎室上部。這部分亞納米木粉被三號(hào)風(fēng)機(jī)的低速氣流從粉碎室頂端的出料口三帶出，通過(guò)集料管直接輸送至集料器三。該部分木粉的粒徑預(yù)期能小于亞納米木粉。另外，還有一部分木粉為該設(shè)備工業(yè)化加工出粒度最大的微粒，或難以加工的樹皮鋸末，仍然由一號(hào)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流帶出，通過(guò)出料管一內(nèi)的篩網(wǎng)的過(guò)濾，經(jīng)集料管一輸送至集料器一中。整個(gè)粉碎過(guò)程與分級(jí)過(guò)程同步進(jìn)行，動(dòng)作一致，大大提高的機(jī)械效率與木粉細(xì)度。

圖4 切削法木粉裝備結(jié)構(gòu)原理圖

3 亞納米木粉切削粉碎過(guò)程分析

本研究的亞納米木粉切削粉碎設(shè)備總的裝機(jī)容量15 kW，產(chǎn)量是30 kg/h。電主軸功率為2.2 kW，直接帶動(dòng)4組刀盤進(jìn)行超高速轉(zhuǎn)動(dòng)。另外有蝸輪減速器1套，通過(guò)一對(duì)齒輪帶動(dòng)刮板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。有3臺(tái)風(fēng)機(jī)分別從3個(gè)不同的方向進(jìn)行物料收集，3臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量分別由3個(gè)節(jié)流閥控制，風(fēng)機(jī)一、三的風(fēng)向分別由各自的三通球閥控制。進(jìn)料口上有一電磁先導(dǎo)閥，用以加工結(jié)束后調(diào)節(jié)設(shè)備內(nèi)外壓差。

木材在被打碎的過(guò)程中內(nèi)部存在許多細(xì)微的裂紋，由于這些裂紋的存在，使得裂紋周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的抗壓強(qiáng)度時(shí)，裂紋將擴(kuò)展;當(dāng)與原拉應(yīng)力垂直的裂紋長(zhǎng)度增加時(shí)，應(yīng)力集中將更大。所以，材料中裂紋的擴(kuò)展一旦開(kāi)始，就必將導(dǎo)致木材的破壞。如果輸入裂紋尖端的能量超過(guò)裂紋擴(kuò)展所需的表面能，則多余的輸入能量將轉(zhuǎn)化為動(dòng)能促使裂紋擴(kuò)展，其裂紋擴(kuò)展速度為［5－8］:

式中:u為裂紋擴(kuò)展速度;c為木材中的聲速;l、lc為裂紋長(zhǎng)度及裂紋擴(kuò)展臨界長(zhǎng)度;k1為裂紋擴(kuò)展速度系數(shù)。

設(shè)F為木材粉碎時(shí)新生表面積，則新生表面積生成的速度即為木材的粉碎速度v。

式中:v為木材粉碎速度;k2為與粉碎過(guò)程相關(guān)的系數(shù);k為木材粉碎速度系數(shù);k2為與粉碎過(guò)程相關(guān)的系數(shù)為木材密度。

另外，由于粉碎系統(tǒng)內(nèi)氣流的循環(huán)應(yīng)用，木粉顆粒均具備一定的運(yùn)動(dòng)速度，除與旋轉(zhuǎn)刀具和固定刀具之間的碰撞切削作用之外，顆粒與顆粒之間同樣存在著一定的碰撞速度。由于木粉顆粒的形狀極不規(guī)則，為了便于研究，一般將其表面積與體積折算為等表面積球的表面積與體積。假設(shè)木粉顆粒的理想形態(tài)為截頂圓錐體，直徑分別為Da和Db，當(dāng)其達(dá)到破壞時(shí)，積蓄于該粒子單位質(zhì)量的粉碎能E/Mp為［9－10］。

因此，

式中:E為彈性變形能;Mp為亞納米木粉的質(zhì)量;n為Weibull分布函數(shù)均勻性系數(shù);ρ為木粉密度;η為泊松比;Y為楊氏彈性模量;S為木材密度;v0為木粉顆粒的體積;Da為木粉顆粒的上端面直徑;Db為木粉顆粒的下端面直徑;L為木粉顆粒的長(zhǎng)度;q=Da/Db。

假定木粉顆粒的運(yùn)動(dòng)能夠完全轉(zhuǎn)化為破碎能，則根據(jù)E=0.5MV2，可以得出，完全靠碰撞粉碎的顆粒達(dá)到破碎狀態(tài)所需的碰撞速度為:

物體產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)速度，可獲得強(qiáng)大的動(dòng)能。物體產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞而粉碎的原理一般應(yīng)用于對(duì)撞式氣流磨的粉碎機(jī)上。在本設(shè)計(jì)中，木粉顆粒之間的碰撞作用僅為副粉碎作用。

4 亞納米木粉切削計(jì)算

粉碎過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，首先需要對(duì)粉碎過(guò)程做一定的假設(shè)使其在理想化的狀態(tài)下進(jìn)行。在超細(xì)粉碎中，隨著粒徑的減小，被粉碎物料的結(jié)晶均勻性增加，顆粒強(qiáng)度增大，斷裂能提高，粉碎所需的機(jī)械應(yīng)力也大大增加。因而粒度越細(xì)，粉碎的難度就越大。盡管本設(shè)計(jì)采用的刀具切削粉碎代替了研磨法，但粉碎過(guò)程中仍然會(huì)伴隨著大量的能量損失，再加上高速運(yùn)動(dòng)碰撞的木粉產(chǎn)生的靜電作用，將導(dǎo)致木粉顆粒相互團(tuán)聚的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。在這種狀態(tài)下，木粉的粉碎速度是最關(guān)鍵參數(shù)［11－13］。

木材中的聲速c=3 320 m/s。定義裂紋長(zhǎng)度為木粉微粒長(zhǎng)度，裂紋擴(kuò)展臨界長(zhǎng)度是木粉微粒長(zhǎng)度的66%，由此可以求出裂紋擴(kuò)展速度u=2 191 m/s。根據(jù)這個(gè)計(jì)算參數(shù)確定切削主軸的轉(zhuǎn)數(shù)12 000 r/min。

5 結(jié)束語(yǔ)

定義粒度在8 000～40 000 nm的木粉為亞納米木粉。本研究提出采用循環(huán)式切削粉碎與氣流分選相融合的亞納米木粉粉碎理論，在亞納米木粉的粉碎工藝中，將分級(jí)篩選設(shè)備與切削粉碎設(shè)備連為一體，不斷將已經(jīng)達(dá)到目數(shù)要求的亞納米木粉濾出，未達(dá)到要求的再返回粉碎室進(jìn)行N次加工。N次加工過(guò)程減輕了微細(xì)顆粒在粉碎中的團(tuán)聚與干擾，提高了能量的利用率，同時(shí)也確保產(chǎn)品的細(xì)度和粒度分布的均勻性及亞納米木粉質(zhì)量的一致性，并提高了加工效率。提出了切削主軸轉(zhuǎn)數(shù)的分析理論，并通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)驗(yàn)證了提出的理論。

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