CC BY
16
Основные пути и этапы построения нового материаловедческого курса строительного профиля представляются следующими:
— решительный переход на блочно-модульную технологию преподавания;
— внедрение новой классификации строительных материалов не по товарным, а по научным признакам, не по тому, что разделяет, а по тому, что объединяет;
— радикальное изменение содержания лекций путем очистки их от второстепенной и устаревшей информации, насыщения последними достижениями материаловедения, вычислительной техники н фундаментальных дисциплин;
— создание необходимого числа лабораторных работ современного уровня с использованием современного оборудования;
ь— перенос из лекционного курса частной информации прикладного значения о конкретных материалах и технологиях на практические занятия, проводимые в тесной связи с лекциями и имеющие целью дополнять, развивать и углублять информацию, полученную на лекциях;
— новая организация самостоятельной и индивидуальной работы студен-тов, переход в перспективе на творческий метод обучения, в котором студент (группа студентов) получает задание создать композиционный материал (или усовершенствовать существующие материалы и технология) и в процессе выполнения задан** самостоятельно приобретает необходимые знания и лабораторные навыки;
— лучшее использование научно-педагогического потенциала, разработка и чтение авторских лекций, блоков лекций и курсов по тематике, соответствующей научным интересам преподавателей;
— обеспечение непрерывности материаловедческого образования путем создания и чтения спецкурсов различной структуры и длительности на последних ступенях обучения;
— в рамках блочно-модульной системы изменение роли и содержания экзаменов, которые должны проводиться только по основным проблемам курса и выполнять функцию финишного синтеза материаловедческих знаний;
— составление новой рабочей программы, конспектов лекций и разработка практических занятий; создание нового учебника по курсу и текста практикума.
Работы по перестройке курса на кафедре начаты в 1992 году. На подготовительном этапе произведена частичная переработка его содержания, что нашло отражение в учебно-мето-дических картах. Этот этап необходим и для психологической подготовки преподавателей к последующим коренным изменениям содержания и технологии обучения.
Реформы в строительном материаловедении,' включая систему вузовского обучения, неотвратимы и необратимы. Как ни трудно идти по этому пути, другого просто нет. Эти трудности будут ме столь тяжелы, если к работе по переоценке материаловедческого курса подключатся коллективы энтузиастов-преподавателей мз других вузов России.
4
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОЗДАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ БИОКОМПОЗИТОВ
В. Д. ЧЕРКАСОВ, кандидат техмячесхих наук
Идея получения материалов из дре- дователей. По машему мнению, эта весины без синтетических связующих ^пробжыа может быть успешно решена издавна привлекала внимание нссле- с использованием биотехнологии.
Древесина и другие растительные остатки представляют собой комплекс различных сложных органических веществ. Основными компонентами, присутствующими в древесине всех видов, являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин [2). Конструкционно лигнин в древесине выполняет функции клея, а целлюлоза — армирующего вещестюа [ 1 Ь Лигнин структурно связан с ге-
мицеллюлозой, представляющей собой
легко- и трудногидролизуемые полисахариды. Установлено, что достаточно прочные и устойчивые связи в древесине способны образовать лигнин и ча стично гидролизоваиные полисахариды. В связи с этим для получения древесных композиционных материалов без применения вяжущих, по нашему мнению, необходимо в растительном сырье предварительно гидролизовать полисахариды и освободить лигнин. При этом целлюлоза не должна разрушаться, так как она выполняет роль арматуры в пластиках и снижение ее прочности отрицательно скажется на механических свойствах готового материала. Гидролиз полисахаридов и освобождение лигнина предпочтительнее осуществлять энзиматическим воздействием. Для этих целей, по нашему мнению, наиболее подходят деревораз-рушаюхцие грибы — ксилотрофы, которые интенсивно синтезируют гидролитические и окислительные ферменты.
Количество освобожденного лигнина в сырье связано с параметрами биотехнологического процесса. Для установления этой связи представим лиг* ноцеллюлозу [Ц.] состоящей из лигнина [Ь] и полисахаридов (С]. При этом (Ц.] - * [С]. Концентрация лигнина в зоне реакции определяется как разность между начальной концентрацией лнгноцеллюлозы и содержанием лигноцеллюлозы [Ц. ]* с учетом текущей концентрации полисахаридов.
|1сГ-[Ц;]о (1С]/[С1о) 1С]о/й[ьси (1)
где |С1, [С 1о — соответственно текущее и начальное значения полисахаридов на поверхности субстрата.
Концентрация лигнина в результате изъятия полисахаридов с поверхности частиц составит:
[имиъ-мисуюъ * -<2>
Снижение концентрации полисахаридов в сырье связано с потреблением их микроорганизмами для поддержания своей жизнедеятельности. Уровень изъятия полисахаридов определяется константами биотехнологического процесса, в течение которого их концентрация на поверхности частиц изменяется следующим образом:
ICJ
[С1
[С]
К'
(3)
где [С ]к — количество полисахаридов, конвертируемое в биомассу от начала процесса до достижения ею максимального значения, т. е. до конца стадии активного роста микроорганизмов.
Исходя из баланса веществ в системе суммарное количество полисахаридов, конвертируемое в биомассу, составит:
[С ]к - аХк/Ух + [Е Г/У Е + Щ , (4)
/
где а — доля критической биомассы от
соответствующей предельной критической величины; л
R
величина
— предельная кри-
биомассы; [Е ]* — нитрация фермента в сырье на мо-достижения биомассой величины
r; Yx, Ye — экономические коэффи
циенты соответственно для образования биомассы и ферментов; f(e) — параметр, учитывающий затраты на поддержание жизни микробной биомассы и потери, связанные с лизисом клеток и инактивацией ферментов.
Количество биомассы определяется:
X = аХк = a k Kg Kg [C^Ey/m. ' (5)
Концентрация фермента в среде на мо-мент достижения биомассой максимального значения определяется следующим выражением:
íEf ^aklCloE^l +
♦Ке/К^С]^! (1 -ak)],
(6)
где KE мента.
константа адсорбции фер-
Тогда количество полисахаридов,
конвертируемое в биомассу, можно
рассчитать по следующей: зависимости:
[Ск^акК^СЪЕ!
+ КЕ/КЛСЪЕ! (
+ 1/УЕ +
I
«к)! УЕ ],
(7)
где к
константа, показывающая, какое количество Сахаров образуется из 1 г субстрата, г; К8 — удельная поверхность субстрата, см2/г; Е1 — величина предельного насыщения ферментом единицы поверхности субстрата, г/см2; Кв — константа скорости гидролиза полисахаридов ^ адсорбированным ферментом; ш — конотанта
жнзнеподдержания.
Концентрация освобожденного лигнина в растительном сырье с учетом (3) и (7) определяется выражением
и
1Ьс]0{1-[1-а*КвЕ1 X
х (Кв/тУх + 1/УЕ + КЕ/К, х х [СЦХ^Уе)]!«^^},
(8)
где УЕ - 0,7 ¥х. .
Из полученного выражения видно, что количество освобожденного лигнина зависит от уровня биомассы, фермента и дисперсности субстрата*
Освобожденный лигнин благодаря своей биостойкости экранирует полисахариды и не позволяет лнгнинразру-ающим грибам удалить их из растительного сырья. Исключение из растительного сырья полисахаридов или лигнина значительно ухудшает физико-механические свойства композитов.
ри обработке древесного
сырья лигнинразрушающими грибами нельзя допускать удаления полисахаридов (гемицеллюлозы) и его делиг-нификации.
Степень экранирования поверхности полисахаридов связана с количеством освобожденного лигнина. После введения константы Ь, показывающей, какое количество лигнина полностью
поверхность
1 г
Поэтому
единичную
содержащихся в
экранирует полисахаридов,
субстрата, можно получить выражение для доли полисахаридов на поверхно-
тиц с учетом
лигноцеллюлоз
О
(9)
где ф
полисахаридов на
верхности частицрастительного сырья.
Отсюда виднб, что при освобождении лигнина в растительном сырье лигнинразрушающими грибами доля полисахаридов на поверхности частиц будет оставаться высокой.
Освобожденный лигнин благодаря содержанию таких функциональных групп, как карбоксильные, карбонильные, альдегидные, гидроксильные> способен вступать в реакции конденсации с реакционными группами полисахаридов и образовывать следую химических связей:
+ Н20; О—И'
К' + н20;
Я
СН2—ОН + Н-О—Я'ЯО
И—сн2—О—Я' + Н20;
О
к
н
и
СН3 + Н—О— р
и—с + я'аоснз
н^о,
ще Я, И' Я" — соответственно остатки молекул лигнина, полисахаридов и микробных полисахаридов.
Проведены экспериментальные исследования биохимических процессов ри разложении древесины лигнинразрушающими грибами. Динамика их роста на древесном и другом растительном сырье н кинетика выделения ими лигнина, установленные в ходе йаших исследований, убеждают, что образование продукта этими культурами (вы-деленне клеящего вещества) относится к биотехнологическим процессам первой группы, при которых основной продукт образуется в ходе реакций первичного энергетического метаболизма,
когда между потреблением углеводного
субстрата и образованием продукта существует постоянное стехиометриче-ское соотношение. При росте на растительном сырье лигнинразрушающие грибы первоначально потребляют свободные сахара и производят гидролиз полисахаридов, что разрушает связи между ними и освобождает последний. Максимальное количество освободившегося лигнина наблюдается в конце стадии активного роста лнгнинразру-шающего гриба. Проведены исследования освобожденного лигнина методом ИК-спектроскопии. Установлено, что воздействие на растительное сырье лиг-нинразрушающих грибов приводит к увеличению в лигнине гидроксильных групп, повышая при этом его реакционную способность.
Из биологически активированного сырья предложено получать древесные пластики без применения синтетических вяжущих. Установлено, что наиболее высокие фнзнко-механкче-ские свойства имеют шшты нз сырья с максимальным количеством освобожденного лигнина. Участие реакцион-
иоспособных групп лигнина и полисахаридов в [юакр^ни конденсации при преобразовании биологически активированного д£ >евесйого сырья в пластик подтвердили И К-спектры и число омыления древесины пластика, которое после трансформации возросло. Полученные таким способом древесные пластики по физико-механическим свойствам не уступают древесным плитам на синтетических вяжущих. Основным достоинством древесмых материалов на природных клеящмх веществах являются их высокие санитарно-гигиенические свойства. По эм/жхин формальдегида они относятся к классу Е1. Их себестоимость на 14 — 2Н % ниже, чем древесных плит ка синтетических вяжущих.
V Применение биотехнологического
процесса для предварительного выделения природного клеящего вещества в растительном сырье впервые позволило получить древесные плиты на природных клеящих веществах по технологическому режиму производства древесных плит на синтетических вя-ж ущих.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Ш а хлад ян Э. А., Квачев Ю. А., Полков В. С. Температурные переходы в древесине
1Г
и ее компонентах // Высокомолекулярные сое динения. А 1992. Вып. 34, № 9 С 3 — 14.
Щербаков А. С., Гамом И. А.. Мел» I. В. Технология композиционных дре атериалов. М.: Экология, 1992 192 с
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
ОСАДКИ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОСТРАНСТВА С УБЫВАЮЩИМ ПО ГЛУБИНЕ МОДУЛЕМ УПРУГОСТИ ОТ ДЕЙСТВИЯ НАГРУЗКИ, РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПО ПЛОЩАДИ ПРЯМОУГОЛЬНИКА
кандидат технических наук
I
В общем случае изменение с глубиной г модуля упругости полупространства представим в следующем виде:
Е
Е, + Е„епг
(1)
где п — параметр, принимаемый в зависимости от характера изменения модуля упругости (при убывающем п < 0, возрастающем п > 0). На повер-
хности полупространства (г«0) модуль упругости Е - Е0 + Е0. Вертикальные перемещение поверхности этого массива от действия нормально приложенной сосредоточенной силы Р могут быть определены по формуле {1 ]
Р(1
лтЕо
К
(2)
