Влияние термической модификации на некоторые физико-механические свойства древесины сосны (Pinus sylvestris)

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Преимущества предлагаемой технологии:

- снижение удельной ресурсоемкости производства;

- увеличение доли продукции с высокой степенью переработки;

- повышение конкурентоспособности продукции как на внутреннем, так и на внешнем рынке;

- развитие мощностей по глубокой переработке древесины, в том числе тонко- и

короткомерной для производства паркетной и отделочной доски.

Библиографический список

1. Кондратюк, В.А. Современное состояние лесопромышленного комплекса России: монография / В.А. Кондратюк. - М.: МГУЛ, 2002. - 120 с.

2. Патент на изобретение «Четырехсторонний продольнофрезерный деревообрабатывающий станок» заявка № 2009144446/03(063319) / Г.А. Кра-пухин, В.А. Косарев, Е.В. Кравцов // МПК B 27 C 9/04 от 02.12.2009.

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ НА НЕКОТОРЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОйСТВА дрЕВЕСИНЫ СОСНЫ

Е.Г. ВЛАДИМИРОВА, асп. каф. технологии лесопиления и деревообработки МГУЛ

Для повышения конкурентоспособности древесины на рынке и улучшения ее свойств необходимо развитие различных способов обработки древесины. Термическая модификация - это технология, позволяющая расширить области применения древесины.

Термически модифицированная древесина производится и активно изучается во многих странах, таких как США, Канада, Япония, Китай, Турция, Франция, Финляндия, Латвия, Украина, в том числе и в России.

Целью работы является исследование основных физико-механических свойств древесины сосны, подвергнутой термической обработке на отечественной установке СПВТ при температуре 185°С и времени выдержки 24 часа, а также сравнение полученных показателей с результатами аналогичных исследований немодифицированной древесины.

В качестве исходного материала были взяты неокоренные бревна сосны (Pirns Sylvestris) диаметром от 120 мм до 280 мм. Для того чтобы оценить возможность улучшения визуальных свойств древесины после термической модификации, намеренно были использованы как свежеспиленные, так и выдержанные на открытом воздухе, покрытые синевой и частично грибными поражениями

egvl@mail.ru

лесоматериалы с начальной влажностью от 30 % до 65 %. Из части бревен были выпилены необходимые образцы. Затем остальные бревна сушились в форсированном режиме 7 суток и подвергались термической обработке при температуре 185°С в течение 24 часов.

Используемая установка - СПВТ (сушилка пиломатериалов вакуумная тепловая), которая работает по 4 категориям термообработки, рис.1.

Место обработки - пгт Навля, Брянская область, фирма «ЛЕСКО».

В ходе работы с древесиной предполагалось определить: влажность; плотность; усушку; разбухание; предел прочности при сжатии вдоль волокон; предел прочности при статическом изгибе; ударную вязкость при изгибе; статическую твердость; влагопоглощение; водопоглощение.

Заготовка, метод отбора и изготовление образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 16483.0-89 [1]. Минимальное количество испытываемых образцов n вычислялось

А mm

по формуле

n . = V2t2 / P2,

mm у у 5

где V - коэффициент вариации показателей свойства древесины, %;

Y - требуемая доверительная вероятность;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

97

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Рис. 1. Установка для термической модификации древесины - СПВТ

Рис. 2. Испытательная машина ZD10/90

98

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Таблица 1

Данные по расчету минимального количества испытываемых образцов

Вид испытания Коэффициент вариации по ГОСТ 16483.0-89 Доверительная вероятность [2] Квантиль распределения Стьюдента Относительная точность определения выборочного среднего Число опытов, расчетное/при-нятое

V

Определение влажности 5 0,95 2,571 5 5

Определение плотности 10 0,95 2,262 5 27/30

Определение усушки 16 0,95 1,645 5 27/30

Определение разбухания 16 0,95 1,645 5 27/30

Определение предела прочности при сжатии вдоль волокон 13 0,95 2,048 5 29/30

Определение предела прочности при статическом изгибе 15 0,95 1,645 5 25/50

Ударная вязкость при изгибе 32 0,90 1,645 10 28/50

Статическая твердость 17 0,95 1,645 5 30/50

Определение влагопоглощения 10 0,95 2,262 5 21/30

Определение водопоглощения 10 0,95 2,262 5 21/30

t - квантиль распределения Стьюдента;

P - относительная точность определения выборочного среднего с доверительной вероятностью у.

В табл. 1 приведены данные по расчету минимального количества испытываемых образцов.

Представленное в таблице число образцов было отобрано как для термически модифицированной, так и для не прошедшей обработку древесины.

Для проведения испытаний применялась испытательная машина ZD10/90 (рис.2).

При исследовании влажности древесины определялась фактическая влажность и при необходимости плотность образцов (ГОСТ 16483.7-71) [3].

Влажность образцов (W) в процентах вычислялась по формуле

W = ((mx - m2) / (m2 - mQ))-100, где m0 - масса бюксы, г;

т1 - масса бюксы с пробой до высушивания, г;

m2 - масса бюксы с пробой после высушивания, г.

При исследовании базисной плотности древесины использовались образцы в виде прямоугольной призмы основанием 20x20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм (ГОСТ 16483.1-84) [4].

Базисную плотность каждого образца (рб) вычисляли в килограммах на кубический метр по формуле

р = m / a -Ъ -t = m / V , где, m0 - масса образца в абсолютно сухом состоянии, кг (г);

a , Ъ , c - размеры образца при влажности равной или больше предела насыщения клеточных стенок, м (см);

Vmax - объем образца при влажности равной или больше предела насыщения клеточных стенок, м3 (см3).

При исследовании разбухания древесины применялись образцы в форме прямоугольной призмы с основанием 20x20 мм и длиной вдоль волокон 10 мм (ГОСТ 16483.3588) [5].

Полное разбухание (атах) в процентах было вычислено по формуле

а = 100(a - a ) / a , где - amax - размер (объем) образца при влажности равной или выше предела насыщения клеточных стенок, мм (мм3);

amin - размер (объем образца в абсолютно сухом состоянии, мм (мм3).

При исследовании усушки древесины применялись образцы в форме прямоугольной призмы с основанием 20x20 мм и длиной вдоль волокон 10 мм (ГОСТ 16483.3788) [6].

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

99

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Полную усушку (в ) в процентах вычисляли по формуле

В = 100(а - a ) / a , где - amax - размер (объем) образца при влажности равной или выше предела насыщения клеточных стенок, мм (мм3); amin - размер (объем образца, в абсолютно сухом состоянии, мм (мм3).

Для испытания по определению предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон применялись образцы в виде прямоугольной призмы основанием 20x20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм (ГОСТ 16483.1073), [7]. Предел прочности oW , МПа был вычислен по формуле

a... = P / а-Ъ,

где Pmax - максимальная нагрузка, Н;

а и Ъ - поперечные размеры образца, мм. Вычисление проводят с округлением до 0,5 МПа.

Для испытания на определение прочности древесины при статическом изгибе применялись образцы в виде прямоугольной призмы основанием 20x20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм (ГОСТ 16483.3-84) [8].

Предел прочности вычислялся по формуле, МПа,

aW = 3P l / 2bh2,

где Pmax - максимальная нагрузка, Н;

l - расстояние между центрами опор, равное 240 мм;

Ъ - ширина образца, мм; h - высота образца, мм.

Результаты вычисления округляют до

1 МПа.

Для испытания на определение ударной вязкости древесины образцы изготовляют в форме прямоугольного бруска сечением 20x20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм (ГОСТ 16483.4-73) [9]. Испытательная машина - маятниковый копер с запасом энергии 100 Дж.

После проведения испытания ударную вязкость (AW ) в Дж/см2 вычисляют по формуле

aw=Q /

где Q - работа, затраченная на излом образца, Дж;

Ъ - ширина образца, см;

h - высота образца, см.

Вычисление производят с округлением до 0,1 Дж/см2.

Статическую твердость определяют на поверхностях тангентального, радиального и поперечного разрезов древесины. Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы сечением 50x50 мм и длиной вдоль волокон 50 мм (ГОСТ 16483.17-81) [10].

После испытания статическую твердость образца H'W при влажности (W) в момент испытания при заглублении на 5,64 мм вычисляют в Н/мм2 по формуле

HW = F / п^r2,

где F - нагрузка при вдавливании пуансона в образец, Н;

r - радиус полусферы пуансона, мм.

Для проведения испытания на влагопоглощение и водопоглощение образцы изготовляются в форме прямоугольной призмы основанием 20x20 мм и высотой вдоль волокон 10 мм (ГОСТ 16483.19-72, ГОСТ 16483.20-72) [11,12].

При испытании на влагопоглощение образцы выдерживались над насыщенным раствором соды, а при испытании на водопоглощение образцы вымачивались в дистиллированной воде.

После проведения испытания количество поглощенной влаги/воды (W) в процентах было вычислено с точностью до 0,1 % по формуле

W = ((mn - m}) / (m1 - m)) 100, где m - масса бюксы, г;

m1 - масса бюксы с образцом в абсолютно сухом состоянии, г;

mn - масса бюксы с образцом, взвешенной через n суток с момента первоначального помещения образца в эксикатор, г. Экспериментальное исследование вышеуказанных факторов позволило получить следующие результаты: средняя влажность образцов термически модифицированной древесины составляет 2,3 %, а влажность образцов немодифицированной древесины

10,1 % (табл. 2).

На основе анализа результатов исследований было установлено, что базисная плотность термически модифицированной

100

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Таблица 2

Изменения свойств термически модифицированной древесины сосны в сравнении с немодифицированной

Определяемая величина Обозна- чение Ед. измерения Сосна термически модифициро- Сосна немо-дифицирован- Изменение

ванная ная

Температура обработки Т °С 185 20 -

Средняя влажность в момент испытания W % 2,3 10,1 -

Базисная плотность Рб кг/м3 356 472 - 25 %

Усушка А % 5,7 10,7 - 47 %

Разбухание В % 5,5 15,1 - 64 %

Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон а w МПа 42,9 60,1 - 29 %

Предел прочности при статическом изгибе aw МПа 44,8 89,7 - 50 %

Ударная вязкость при изгибе A Дж/см2 2,3 4,6 - 50 %

Статическая твердость

Поперечный разрез H w Н/мм2 33,0 30,3 + 9 %

Радиальный разрез H w Н/мм2 16,8 20,1 - 16 %

Тангентальный разрез Hw Н/мм2 17,0 19,5 - 13 %

Влагопоглощение W % 7,7 15,2 - 49 %

Водопоглощение W % 195,6 149,5 + 31 %

древесины на 25 % ниже плотности немодифицированной древесины.

Объемная усушка термически модифицированной древесины на 47 % ниже усушки немодифицированной.

Разбухание термически модифицированной древесины на 64 % ниже разбухания немодифицированной.

Предел прочности при сжатии вдоль волокон термически модифицированной древесины сосны снижен на 29 % по сравнению с немодифицированной.

Предел прочности при статическом изгибе термически модифицированной древесины сосны снижен на 50 % по сравнению с немодифицированной.

Ударная вязкость при изгибе термически модифицированной древесины сосны снижена на 50 % по сравнению с немодифицированной.

Статическая твердость термически модифицированной древесины снижается на 16 % на радиальном и на 13 % на тангенталь-ном разрезе и повышается на 9 % на поперечном разрезе по сравнению с немодифицированной древесиной.

Влагопоглощение термически модифицированной древесины понижается на 49 % по

сравнению с немодифицированной, а водопоглощение повышается на 31 % по сравнению с немодифицированной древесиной.

Внешний вид термически модифицированной древесины после термической модификации значительно улучшился. Бревна приобрели коричневый оттенок с шелковистым блеском, что выгодно подчеркнуло естественную красоту текстуры дерева и сделало менее заметным грибные поражения и синеву.

Результаты исследований позволяют рассматривать возможность использования термически модифицированных бревен, а также бруса для создания малых архитектурных форм, садовой и парковой мебели. Однако следует учитывать снижение некоторых прочностных характеристик при проектировании изделий, подвергающихся повышенным нагрузкам.

Библиографический список

1. ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Общие требования к физико-механическим испытаниям. - Введ. 199007-01. - М.: Госстандарт России : Изд-во стандартов, 1999. - 10 с.

2. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: учебник для лесотехнических вузов. - 4-е изд. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - 340 с.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011

101