针叶树材细胞裂解机理及超细木粉制备方法的研究

摘要

木粉在建材、农业、塑胶、化工、冶金和环保等多个领域都广泛应用。木粉的加工原料大都是不同树种的锯屑，而且取材方便、价廉、原料充足，将其超细化后适量添加于复合材料、高分子材料等，会产生各种多功能材料。
　　本文试验加工原料是兴安落叶松锯屑，用显微(镜)锯(屑)，(断)口形态极不规则，在一些颗粒内存在显著裂纹，而一些锯屑用高倍显微镜观测，会看到微裂纹。这些裂纹出现的原因有，首先锯屑颗粒已受外力作用其内部已存在微裂纹;其次是由于兴安落叶松属于急变材在生长过程中就可能出现微裂纹。根据显微观测结果可将干燥后锯屑假设为脆性板层材料，在受外力作用时木纤维的断裂可分为纵向断裂和横向断裂两种类型。横向受力使管胞间分离直至断裂，破坏针叶材的蜂窝结构;纵向受力则使管胞在长度(断)裂,减(的)长径比。超细(粉)的粒径范围小于兴安落叶松管胞的平均弦向直径，(在)进行木粉超细加工时必须进行(破)壁。用蜂窝结构模拟兴安落叶松的横向管胞结构，模拟兴安落叶松早材管胞径向受力时的拉伸变形直至断裂的过程，应用断裂力学中J积分知识计算出这一过程中细胞壁结构变形直至破坏所需应力大小。将理论计算结果与国内外的不同树种细胞壁断裂实验研究结果相比较，得出早材纤维断裂强度范围。并应用结构力学和有限元的相关知识将兴安落叶松的细胞壁结构模拟成线弹性桁架结构，依据桁架结构特点对杆单元施以压应力进行微观力学模型计算，并将计算结果与传统切削理论相比较，得出细胞壁断裂所需的切削力，为超细木粉机加工刀具、主轴的设计提供了理论参考依据。
　　超细木粉的加工属于纤维类材料的超细化加工，它是超细粉(体)制备技术的难点，纤维类材料具有很强的韧性，仅靠简单的冲击、挤压、研磨作用力很难(其)进行超细化。对于纤维类材料需要施加强剪切力与强研磨力相结合的复合力场才有可能使其达到微米或亚微米尺寸。超细木粉机的设计以机械作用力为粉碎力场，突出剪切和研磨的作用，并与冲击、搅拌、摩擦作用力共同对物料进行粉碎。在超细木粉机的设计上参照国内外粉体制造的先进技术，同时根据纤维类材料加工特点在设计中注重冷却装置的设计，研发的超细木粉机能够实现对较高目数木粉的分离、分级。通过对实验制备出的不同目数木粉的形态尺寸研究，得出加工木粉的目数与时间、刀具、刀片间距之间的关系。
　　对目前的分离、分级设备比较分析并结合木粉自身特点，在分离设备上选择旋风分离器。在旋风分离器的结构设计上依据旋风分离器的经典模型进行设计，依据“平衡轨道”模型对旋风分离器的分离性能进行了理论计算，将计算结果与粉体形状尺寸定义进行比较，所设计的分离设备能够达到预期要求。用经验模型和耗散损失模型对旋风分离器内的压降进行了计算。用计算流体力学软件对旋风分离器内的气体流场和不同粒径的木粉颗粒的运动状态进行了模拟。在木粉的分级上采用干式的气动分级，采用射流预分散离心风机的高速喷射气流使木粉在收集箱中的螺旋分离器中以层流流动，达到木粉的分级。
　　试验制备的不同目数的木粉对其进行粉体物性实验研究后，可得出随着木粉目数的逐渐增加，则木粉的颜色也就逐步加深。这是由于目数越高的木粉其相应的加工时间也就逐渐延长，在加工过程中木粉所受热就越多，碳化现象也就越显著。在加工过程中锯屑颗粒随着加工时间逐渐延长、刀片间距离逐渐减小以及电机转速的增大，颗粒由层状、片状、棒状、针状、丝状直至最后取样观测可以看到球形度较好的木粉颗粒。对不同目数木粉进行试验测定，随着目数的增高密度变大，粉体颗粒间的空隙率变小，颗粒间的配位数增多，粉体的可压缩性变小。在常态下粉体间的主要作用力是范德华力，根据其值大小可计算出木粉的团聚数大小，木粉的目数越高其团聚数也就越大，但在超细木粉定义的目数范围内常态下木粉的性质稳定不易团聚。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外超细木粉制备方法研究进展

1．2．1 国外超细木粉制备方法研究

1．2．2 国内超细木粉制备方法研究

1．2．3 国内超细木粉的生产现状

1．3 超细木粉研究有待解决的问题

1．4 课题的来源、目的及意义

1．5 研究的主要内容

2 超细木粉细胞裂解理论的研究

2．1 试验原料

2．2 锯屑颗粒内裂纹形成原因

2．2．1 外力作用产生微裂纹的分析

2．2．2 木材生长产生微裂纹行为的模拟分析

2．3 加工原料的整体细胞裂解分析

2．3．1 应用断裂力学计算细胞破壁力

2．3．2 应用结构力学计算细胞破壁力

2．4 两种计算方法的比较分析

2．5 本章小结

3 超细木粉的粉碎原理及力场分析

3．1 超细木粉加工设备结构构成

3．2 超细木粉粉碎原理及粉碎力场分析

3．2．1 粉碎原理分析

3．2．2 粉碎力场分析

3．3 磨削箱粉碎原理

3．3．1 粉碎过程矩阵模型

3．3．2 磨削箱结构分析

3．3．3 切削轴组件的设计方法

3．4 本章小结

4 超细木粉的分离与分级

4．1 超细木粉分离器的选用

4．2 超细木粉旋风分离器基本工作原理

4．2．1 分离器中的气体流态

4．2．2 微元的旋转流动

4．3 旋风分离器结构分析

4．4 旋风分离器分离性能计算

4．5 旋风分离器压降计算

4．5．1 经验模型

4．5．2 建立在耗散损失上的模型

4．5．3 气体流场模拟

4．6 颗粒流动模拟

4．6．1 颗粒运动分析

4．6．2 颗粒运动轨迹模拟

4．7 木粉收集箱的设计方法

4．7．1 超细粉体减压分级原理

4．7．2 木粉收集箱的结构

4．8 本章小结

5 超细木粉加工目数与细胞裂解间的关系

5．1 木粉的目数与细胞裂解形态的相关性分析

5．2 不同目数木粉形态比较分析

5．2．1 传统木粉目数与细胞裂解间的关系

5．2．2 超细木粉目数与细胞裂解问的关系

5．3 木粉目数与加工工艺的相关性分析

5．4 本章小结

6 木粉颗粒物性的实验研究

6．1 木粉颗粒的统计粒径

6．2 木粉的堆积密度

6．3 木粉颗粒的团聚性

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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