Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
Прессованная (модифицированная) древесина – это технологический процесс представляет собой реализацию процессов сушки, пропитки и прессования. Плотность древесины прессованной в пределах от 750 до 850 кг/м3, в зависимости от степени прессования. Такая древесина, по сравнению с натуральной, в несколько раз прочная и твердая. Для антисептирования древесины чаще всего используют каменноугольное масло, ЖТК (жидкость термокаталитического крекинга), сланцевое масло. Они являются пластификаторами и меняют ха-рактер деформаций при прессовании. Для получения сравнительных данных, были проведены эксперименты с натуральной и прессованной древесиной, содержащей 10 %, по массе от абсолютной сухой древесины, масля-нистый антисептик ЖТК. В качестве исходного материала использовалась древесина березы. При этом анти-септик в количестве 8–10 % от массы сухой древесины равномерно распределяется по всему сечению образца. Изучена прямая и обратная ползучесть для оценки изменения состава деформаций сжатой поперек волокон древесины во времени. Измерения проводились на рычажной установке. Полученные режимы могут быть ис-пользованы при оптимизации технологии получения пластифицированной древесины, т.к. пластификация дре-весины маслом ЖТК снижает жесткость в первой фазе деформирования в 3-5 раз, во второй фазе в 1,1-1,5 раза, в третьей фазе в 2,5-3 раза. Коэффициент поперечной деформации увеличивается в 1,2-1,3 раза. По кривым ползучести пластифицированной древесины установлено, что пропитка маслом дает в 4-5 раз больше снижение доли упругих деформаций и, соответственно, увеличивает остаточные
береза, модифицированная древесина, прессование, пропитка, масло ЖТК, рычажная установка, измерение, деформация, ползучесть
Введение
Прессованная (модифицированная) древесина – это технологический процесс представляет собой реализацию процессов сушки, пропитки и прессования (ГОСТ Р 54577-2011).
Известно несколько способов модифицирования древесины, которые регламентируются пятью независимыми методами [2]:
1) древесину предварительно пропаренную или нагретую прессуют в плоскости поперек волокон. Меняется макроструктура древесины, свойства, увеличение плотности и улучшение прочностных показателей – термомеханическое модифицирование. Древесина полученная таким методом называется прессованной древесиной. Ее можно дополнительно модифицировать с целью улучшения свойств;
2) древесину предварительно обрабатывают аммиаком, карбамидом или другими пластификаторами, затем уплотнение и стабилизация форм и размеров – химико-механическое модифицирование;
3) древесину пропитывают смолами или олигометрами (карбамидные, виниловые, полиэфирные, фурановые), потом идет сушка и отверждение пропитывающего вещества – термохимическое модифицирование;
4) пропиточный состав наполняет пористую структуру древесины, с последующей отверждением или полимеризацией; под воздействием ионизирующих излучений – радиационно-химическое модифицирование;
5) древесину обрабатывают уксусным ангидридом, кетоном и другими веществами, которые изменяют химический состав и тонкую структуру древесины – химическое модифицирование.
В экспериментальном исследовании при производстве модифицированной древесины применен метод термомеханической модификации. Натуральную древесину, пропитанную маслянистым раствором антисептика со стабилизатором, прессуют поперек волокон по всей длине заготовки. Плотность древесины прессованной в пределах от 750 до 850 кг/м3, в зависимости от степени прессования. Такая древесина, по сравнению с натуральной, в несколько раз прочная и твердая. Наполнение (пропитка) древесины антисептиком и стабилизатором повышает биостойкость и формоустойчивость модифицированной древесины, это предположительно повысит срок их эксплуатации до 30–50 лет [1, 3, 13].
Для получения модифицированной древесины большое значение имеют процессы, протекающие при сжатии древесины поперек волокон.
При прессовании древесной заготовки ее объем уменьшается почти в два раза, при этом в процессе деформирования в древесине накапливаются внутренние напряжения, сопровождающиеся микро разрушениями и даже образованием трещин. Процесс деструкции конструкционных элементов древесины можно значительно снизить введением в древесину пластифицирующих агентов, таких как водяной пар, аммиак, карбамид и др. [7, 8].
Для антисептирования древесины чаще всего используют масла, такие как каменноугольное масло, ЖТК (жидкость термокаталитического крекинга), сланцевое масло. Все эти масла, особенно ЖТК по отношению к древесине являются пластификаторами и значительно меняют характер деформаций при прессовании [5, 6].
Была изучена прямая и обратная ползучесть для оценки изменения состава деформаций сжатой поперек волокон древесины во времени.
Материалы и методы
Для экспериментального исследования в качестве исходного материала использовалась древесина березы (Betula verrucosa Linn) [4]. Деревья были отобраны по ГОСТу 16483.6-80 «Древесина. Метод отбора модельных деревьев и кряжей для определения физико-механических свойств древесных насаждений». Затем деревья разрезаются на кряжи [12], по 3 кряжа длиной
Далее из кряжа выпиливается заготовка для получения модифицированной древесины в виде бруса сечением 235 × 250 × 2750мм. В течение 6 месяцев выдерживались в эксикаторах для сернокислой гидростабилизации в помещении с постоянной влажностью φ = 67 %. Плотность сырья при влажности 12 % составляла 640±20 кг/м3, обязательным являлось отсутствие сучков, трещин и гнили. Выпиливались образцы размерами 20×20×30 мм.
1, 2, 3- срезы древесины, выпиленные из ствола через 3 м
Рис. 1 Схема выпиловки заготовок из ствола дерева
Источник: результат получен автором
Прессование древесины следует осуществлять на лабораторной установке СПК–1М для получения шпальных заготовок из модифицированной древесины размерами 235 × 250 ×
Для того что бы получить сравнительные данные, необходимо провести эксперименты с натуральной и прессованной древесиной, содержащей 10 %, по массе от абсолютной сухой древесины, маслянистый антисептик ЖТК. При этом антисептик в количестве 8–10 % от массы сухой древесины равномерно распределяется по всему сечению образца.
Для измерения прямой и обратной ползучести древесины в зоне больших деформаций применяется рычажная установка, установленная на испытательной машине ЦДМУ-30 (рис. 2). Установка может работать как в режиме нагружения машины ЦДМУ-30, а также в автономном режиме, путем нагружения грузами массой 10-
Экспериментальные исследования охватывают в первую очередь коэффициент релаксации древесины в зависимости от температуры, влажности и времени. Затем исследуется показатель формы релаксационной кривой, рассчитываются и проверяются модули упругости и время релаксации.
Затем исследуется прямая и обратная ползучесть натуральной и прессованной древесины с различными начальными напряжениями (1-12 МПа) и конечным напряжением 30 МПа.
Результаты и обсуждения
Испытывались образцы на упругую податливость при начальном напряжении 2 МПа. Средняя деформация 0,048 мм развивалась в древесине плотностью 613 кг/м³ при 2,62 МПа, а плотностью 730 кг/м³ - при 3,43 МПа. И так, различие податливостей менее значительно в средних зонах сжимаемой древесины. А, податливость при сжатии в тангенциальном направлении уменьшается более, чем вдвое вблизи контактных поверхностях, при возрастании плотности натуральной древесины на 19 %.
При напряжении 1,8 МПа натуральная древесина при влажности 5 % уменьшилась за 600с на 31 %, а при влажности 10 % – на 24 %. Можно сказать, что в среднем величина упругой деформации натуральной древесины мало изменяется со временем.
Деформации сжатия и остаточные отмечались при напряжении 4,3 МПа. Такое напряжение лежит на границе потери устойчивости клеточной стенки и представляет большой интерес как пороговое в процессе прессования. При увеличении влажности древесины с 10 до 20 % податливость возрастает на 37,5 %. Одновременно прослеживается существенная роль начальной плотности. Так, образцы с плотностью 613 кг/м3 имели общую податливость 3,6 ГПаˉ1, а с плотностью 730 кг/м³ - вдвое меньше показатели – 1,6 ГПаˉ¹.
Начинает заметно прессоваться древесина березы с влажностью 10 % и более при напряжений 8,0 МПа, т.е. вторая фаза деформирования.
1 - опора; 2 - нагружатель; 3 - передатчик усилия (рычаг); 4 – пульт управления; 5 - обогреваемая прессформа с образцом древесины
Рис. 2 Рычажная установка
Источник: результат получен автором
Для пластифицированной древесины плотностью 720-790 кг/м3 податливость является функцией влажности. Очевидно, упругая податливость материала мало меняется с влажность. В то же время общая податливость при повышении влажности возрастает со все большей крутизной (рис.3).
За период испытаний упругие деформации при напряжении 4,3 МПа и влажности 30 % уменьшаются на 24 %, а при влажности 10 % - на 12 %. При напряжении 8,0 МПа уменьшение упругих деформаций, а следовательно рост податливости за 600 с достигало 27 %. Таким образом, в натуральной древесине во времени накапливаются остаточные деформации и уменьшаются упругие - при практически постоянном уровне деформаций ползучести.
Рис. 3 Кривые ползучести натуральной древесины при различной влажности (а) и различных напряжениях (б):1, 2, 3 – соответственно влажностью 21, 13, 10 % (напряжения 1,8 МПа); 4, 5, 6 – соответственно напряжении 8,0, 4,3, 1,8 МПа (влажности 10 %)
Источник: результат получен автором
Рис. 4 Кривые ползучести пластифицированной древесины влажностью 5 % (а) и 20 % (б) при различных нагрузках: 1, 2, 3 – соответственно 8,0, 4,3, 1,8 МПа
Источник: результат получен автором
Процесс зависит от влажности и начального напряжения. Наиболее значительно изменение во времени характера снятия деформаций ползучести. Так, при напряжении 8,0 МПа восстановление размеров образца после снятия нагрузки происходит по весьма пологой кривой. Следовательно, степень задержки скорости упругого последействия зависит от величины начальной деформаций.
Пропитка древесины маслом ЖТК приближает деформативные показатели древесины к соответствующим более влажным (рис. 4). Со временем уменьшается упругая составляющая, но не возрастают и остаточные деформации. Остается практически постоянной сумма упругих и остаточных деформаций, следовательно, пластифицированная древесина имеет неявный характер трансформации упругих деформаций в остаточные. По-видимому, со временем в древесине происходит накопление связей, препятствующих быстрому восстановлению размеров после снятия нагрузки.
Остаточные деформации для пластифицированной древесины при малой влажности пропорциональны приложенному напряжению и нарастают в течение периода испытаний с затуханием.
Следовательно, пропитка древесины маслом приводит к резкому (в 3-6 раз) снижению доли упругих деформаций, быстро убывающих во времени, причем по мере выдержки под давлением замедляется скорость обратной ползучести. Оценивая роль пластификатора, можно сделать вывод, что пропитка маслом в несколько раз повышает податливость древесины во влажном состоянии при сжатии. С другой стороны, после разгрузки наблюдается переход упругих деформаций в задержанные, а часть задержанных переходит в остаточные. Следовательно, в пластифицированной древесине происходит интенсивная релаксация напряжений, связанная с переходом в новое равновесное состояние.
Кинетика спада напряжений в сжатом образце протекает в условиях сушки, т.е. помимо основных составляющих деформаций (упругих, упруго-залаздывающих и остаточных) проявляются и деформации сушки. Деформации сушки способствуют ускорению процесса релаксации напряжений. По величине в направлении прессования у запрессованной древесины коэффициент усушки почти вдвое больше соответствующего коэффициента натуральной древесины [9, 10, 11].
На процесс деформирования древесины под действием ступенчатой постоянной нагрузки определяющее влияние оказывает температура процесса. Исследование ползучести и обратной ползучести натуральной и пластифицированной древесины в процессе прессования поперек волокон в радиальном направлении проводилось при температуре 20 и 95°С.
Во избежание существенных искажений формы образца при больших прессующих деформациях его высота задавалась в среднем в 5 раз меньшей поперечных размеров.
На рисунке 5 представлена ползучесть и обратная ползучесть древесины березы плотностью 676 кг/м3 и влажностью порядка 10% в условиях сушки. И так, кривая а отражает развитие общих деформаций древесины нагретой до 95°С. Конечная влажность после испытаний в течение 7,2·10³ с (2 часов) приближалась к 2,5 %, т.е. процесс велся в условиях сушки и потеря влаги составила 3/4 от исходной. Начальная скорость потери влаги более чем втрое превышала конечную. А развитие деформаций в древесине при комнатной температуре и постоянной влажности отражает кривая b. Для обоих случаев в начале нагружения развитие деформаций происходит при фактически постоянной влажности и отражает, в основном, влияние температуры. Значит, к увеличению общей деформации в 1,5 раза приводит повышение температуры в 4,75 раза.
При испытаний остаточная деформация возросла в обоих случаях. Условно-упругая деформация составила 0,032 – при нагретой древесины до 95°С, а при комнатной температуре – 0,056. Остаточные деформации в результате температурного ускорения релаксационных процессов и усушки за время испытаний возрастают в 2,3 раза. Следовательно, по мере нагружения в условиях сушки уменьшается упругая составляющая деформации и увеличивается остаточная.
При оценке влияния фактора влажности (рис. 6) кривые развития деформаций в сжатой древесине различной влажности в условиях усушки сходны между собой. Следовательно, температурное воздействие и потеря до 3/4 влаги существенно не изменяет механизм деформирования древесины. По мере нагружения во времени возрастают, в основном, остаточные деформации.
Рис. 5 Ползучесть и обратная ползучесть сжатой волокон пластифицированной древесины при температуре: а – 95°С; b – 23°С.
Источник: результат получен автором
Рис. 6 Развитие во времени ползучести и обратной ползучести при температуре 95°С натуральной древесины с влажностью: 1-10 %, 2-10 %, 3-15 %, 4-20 %
Источник: результат получен автором
Переходные процессы, отражаемые группой задержанных (запаздывающих) деформаций тем более продолжительны, чем выше начальная влажность древесины. Это свидетельствует о том, что эти деформации формируются во времени из числа обратимых (эластических), а также из задержанных за счет увеличения времени задержки. По мере потери влаги ускоряется общий переход в новое равновесие состояние, причем наиболее интенсивно релаксируют напряжения в древесине с минимальной влажностью.
Введение в древесину масла ЖТК в количестве 10 % по массе приводит к образованию пластифицированной древесины. В первую очередь повышается плотность материала с 622 до 657 кг/м3. При сушке отмечается возрастание усушки. Следовательно, следует предположить возможность и некоторых качественных изменений в структуре механизма деформирования такой древесины, особенно при повышенных температурах. Сравнение кривых ползучести и обратной ползучести натуральной и наполненной маслом древесины представлено на рисунках 5 и 6. Условно-упругие деформации наполненной маслом древесины по сравнению с натуральной в целом уменьшаются при нарастания остаточных, т.е. изменяется характер эластичности материала.
Механизм возникновения и развития упруго-запаздывающих деформаций, судя по кривым (рис. 5 и рис. 6), одинаков для натуральной и наполненной древесины.
Сохраняется, практически, одна кривизна переходных участков, что говорит о неизменности упруго-вязкого деформирования в стадии запаздывания. Воздействуя прежде всего на лигноуглеводный комплекс, масло ЖТК повышает эластичность и податливость древесины, снижая деструктивные проявления. При этом модуль прессования возрастает с 10 до 50 МПа при потере влаги около 5 %.
Выводы
1. Пластификация древесины маслом ЖТК снижает жесткость в первой фазе деформирования в 3-5 раз, во второй фазе в 1,1-1,5 раза, в третьей фазе в 2,5-3 раза. Коэффициент поперечной деформации увеличивается в 1,2-1,3 раза.
2. По кривым ползучести пластифицированной древесины установлено, что пропитка маслом дает в 4-5 раз больше снижение доли упругих деформаций и, соответственно, увеличивает остаточные.
3. Установлены численные величины длительного и мгновенного модуля упругости, время ползучести, показатели формы кривой ползучести.
4. Полученные режимы могут быть использованы при оптимизации технологии получения пластифицированной древесины.
1. Хухрянский, П.Н. Прессование древесины / П. Н. Хухрянский // 2-е изд., испр. и доп. - Москва: Лесная промышленность, 1964-361с. - Библиогр.: с. 360.
2. Шамаев, В.А. Модифицирование древесины: монография / В.А. Шамаев, Н.С.Никулина, И.Н. Медве-дев. - М.: ФЛИНТА: Наука, 2013. - 448 с.
3. Navi P., Heger F. (2004) Combined densification and thermo-hydro-mechanical processing of wood. MRS Bull 29:332-336.
4. Lekounougou, S., Kocaefe, D., Oumarou, N., Kocaefe, Y., PONCSAK, S. 2011 Effect of thermal modification on mechanical properties of canadian white birch (betulapapyrifera). In International Wood Products Journal. 2011 Vol. 2 p. 101107.
5. Nikolic M., Lawther J.M., SanadiA.R. J Coat Technol Res (2015) 12: 445. https://doi.org/10.1007/s11998-015-9659-2.
6. Hrčka R, Babiak M, Németh R (2008). High temperature effect on diffusion coefficient. Wood Res Slovak 53:37-46.
7. Губанова, Н.В. Моделирование процесса пропитки древесины жидкостью / Н.В. Губанова // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2013 - №3(95). - С. 134-138.
8. Бурлов, С.А. Влияние температуры на твердость прессованной древесины / С.А.Бурлов, В.А.Шамаев // Лесной журнал №3. 1989г. С. 86-89 .
9. Медведев, И.Н. Деформирование древесины при равномерном сжатии с одновременной сушкой / И.Н.Медведев, О.И.Шакирова, В.А.Шамаев // Лесотехнический журнал. 2012. №2 (6). С. 15-21.
10. Шамаев, В.А. Пропитка древесины жидкостями под давлением / В.А. Шамаев, О.А.Куницкая, И.В. Григорьев, И.Н. Медведев, Д.А. Паринов, С.С. Бурмистрова / Системы. Методы. Технологии. 2018. № 4 (40). С. 152-156. DOIhttps://doi.org/10.18324/2077-5415-2018-4-152-156.
11. Шакирова, О.И. Процесс пропитки и сушки под давлением модифицированной древесины для шпал / О.И.Шакирова // Актульные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2016. Т.4. № 5-1 (25-1). С. 253-256.
12. ГОСТ 16483.6-80 (СТ СЭВ 1141-78). Древесина. Метод отбора модельных деревьев и кряжей для оп-ределения физико-механических свойств древесины насаждений: издание официальное : дата введения 1981.01.01. - Москва : Стандартинформ, 2005. - 6 с.
13. Durability of Modified Wood - Laboratory vs Field Performance. Westin Mats, Technical Research Institute of Sweden, Boras, Sweden, 2010, 142
