Теория прочности топливных пеллет

Прочность характеризует способность твёрдых тел противостоять разрушению и сохранять целостность под действием внешних сил. Прочность является одним из самых главных свойств древесноплитных материалов, в том числе и топливных пеллет. Такие физические свойства, как плотность, твёрдость, модуль упругости, являются интегральными, усреднёнными по всему образцу. В противоположность им прочность - свойство экстремальное: разрушение происходит в наиболее слабом месте образца. Таким слабым местом являются дефекты структуры и внутренние напряжения, варьирующие с переменными значениями по площади конкретного образца [13].

Для примера, проанализируем значения плотности и прочности, определённых по СТБ 2027 топливных пеллет представленных в таблице 1.

Таблица 1 - Плотность и прочность топливных пеллет

Статистические характеристики	с, кг/м3	уизг, МПа
Среднее арифметическое	978,4	44,4
Среднее квадратичное отклонение	14,4	2,38
Вариационный коэффициент х=100у/X	1,5	5,4

Из таблицы 1 видно, что образцы по прочности сильно отличаются друг от друга, тогда как в отношении плотности вариационный коэффициент оказывается в 3,6 раза меньше.

Всем материалам, в том числе и древесным пеллетам, присуща изменчивость прочности. Она обусловлена тем, что прочность представляет собой так называемое структурно-чувствительное свойство. Это значит, что любое незначительное изменение структуры не оказывает существенного влияния на плотность, но непропорционально и сильно влияет на прочность.

При рассмотрении механизма образования древесноплитных материалов необходимо знать, каковы теоретические пределы, к которым можно стремиться в повышении прочности. Такая информация полезна, чтобы иметь представление о перспективах того или иного технического решения в области совершенствования технологии и модифицирования топливных пеллет. В этой связи обратимся к когезии.

Когезия - сцепление частей одного и того же физического тела (молекул, атомов, ионов) под действием сил притяжения. Когезия обусловлена межатомными и межмолекулярными взаимодействиями. Силы химической связи определяют прочность материалов. Водородные связи особенно существенны для прочности древесных и целлюлозных материалов. Межмолекулярные силы (или ванн-дер-ваальсово взаимодействие) проявляются во всех агрегатных состояниях вещества [14].

Под химической связью понимается такой вид взаимодействия между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. Обобществление электронов может изменяться в широких пределах. При равном их обобществлении реагирующими частицами возникает ковалентная связь. Преимущественное смещение электронов к одному из двух связанных атомов (поляризация) даёт полярно-ковалентную связь, а в пределе - ионную связь.

Водородная связь обусловлена дополнительным взаимодействием между ковалентно связанным атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом (О, N и др.) другой молекулы (или той же самой). Фрагмент молекулы, состоящей из водорода и электроотрицательного атома (H - А), выступает своеобразным донором атома водорода, передавая его в совместное пользование другому электроотрицательному атому (В), который выступает акцептором атома водорода. Водородную связь (Н - связь) обозначают тремя точками: А - Н ···В.

Ван-дер-ваальсово взаимодействие представляют в виде суммы трёх составляющих. Для полярных молекул определяющим является ориентационная составляющая в виде диполь-дипольного взаимодействия. Индукционная энергия обусловлена взаимодействием дипольного момента одной молекулы с индуцированным им дипольным моментом другой. Дисперсионная энергия определяется квантово-механическими флуктуациями электронной плотности. Энергия и расстояния рассмотренных видов взаимодействия приведены на рисунке 5.

Когезионные свойства топливных пеллет определяются совокупностью взаимодействия атомов, звеньев, сегментов макромолекул и надмолекулярных структур. Необходимую для разделения тела на части работу с удалением их на расстояние, когда нарушается целостность этого тела, называют удельной работой когезии.

Для характеристики когезии используют понятие плотность энергии когезии (ПЭК), относя это к энергии единицы объёма вещества, которую нужно затратить для его испарения или сублимации. ПЭК полимерных материалов непосредственно замерено быть не может. Она зависит от типа и числа атомных групп, входящих в повторяющееся звено, от конфигурации и степени полимеризации макромолекул, а также надмолекулярной структуры. Значение ПЭК находят расчётным путём [15].

а - ковалентная связь; б - водородная связь; в - ванн-дер-ваальсово взаимодействие

Рисунок 5 - Кривые потенциальной энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий

Таблица 2 - Энергия когезии функциональных групп полимеров

Введение функциональных групп в макромолекулы увеличивает их когезию. Связь строения полимерных материалов и их когезионных характеристик прослеживается на примере топливных пеллет. Эти знания полезны для разработки модифицирования пеллет. Модифицирование топливных пеллет направлено на повышение уровня качества, а также обеспечение свойств готового материала более эффективными и менее затратными способами изготовления.

Заключение

Прочность и вязкоупругие свойства древесины и вырабатываемых из неё древесных волокон и химические превращения основных компонентов при горячем прессовании раскрывают механизм образования пеллет. Сущность его заключается в развитии межволоконного взаимодействия. Однако процесс распространяется на всю клеточную стенку древесины и является неотъемлемой составляющей изготовления топливных пеллет.

Следует отметить, что основные компоненты древесины участвуют в образовании пеллет, выполняя при этом свои функции. Целлюлоза является армирующим компонентом и её деполимеризация и деструкция должны быть ограничены назначением параметров получения пеллет, лигнин и гемицеллюлозы формируют полимерную матрицу. Исключение их из композиции приводит к снижению качества пеллет. Нецеллюлозные полисахариды и продукты их термопревращений вносят вклад в развитие межмолекулярного взаимодействия.

Прочность является одним из самых главных свойств топливных пеллет. При рассмотрении механизма образования топливных пеллет необходимо знать, каковы теоретические пределы, к которым можно стремиться в повышении прочности. Такую информацию дают релаксационные явления и процесс когезии, на основе которых можно составить представление о перспективах того или иного технического решения в области совершенствования технологии и модифицирования топливных пеллет.