Экспериментальные исследования влияния наноструктурных изменений древесины на ее деформативность

Нанотехнологии композитов с использованием древесины

- водостойкость и токсичность образцов плит остается на прежнем уровне, что свидетельствует об отсутствии химического взаимодействия модификатора и олигомера;

- использование углеродных частиц нанометрового размера для модификации карбамидоформальдегидных олигомеров, а также способ подготовки и диспергирования модификатора требует дополнительного изучения с целью выбора оптимальных режимов модификации;

- применение двух использованных методов диспергирования модификатора -

ультразвуковая и дезинтеграторная обработка смол также оказывает существенное влияние на их свойства, что необходимо учитывать при проведении исследований.

Библиографический список

1. Тележкин, В.В. Склеивание древесных материалов карбамидными олигомерами, модифицированными механическим способом: дис. ... канд. техн. наук : 05.21.05/ В.В. Тележкин. - М.: МГУЛ, 1987. - 240 с.

2. Старостин, В.В. Материалы и методы нанотехнологии : учебное пособие под общ. ред. Л. Н. Патрикеева./ В.В. Старостин. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. - 431 с.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

влияния наноструктурных изменений древесины на ее деформативность

Б.Н. УГОЛЕВ, проф. каф. древесиноведения МГУЛ, д-р техн. наук, акад, РАЕН и ИАВС,

B. П. ГАЛКИН, проф. каф. древесиноведения МГУЛ, д-р техн. наук,

Г. А. ГОРБАЧЕВА, доц. каф. древесиноведения МГУЛ, канд. техн. наук,

А.А. КАЛИНИНА, асп. каф. древесиноведения МГУЛ,

C. Ю. БЕЛКОВСКИЙ, студент МГУЛ

Древесина может быть отнесена (Уголев, 2011) к природным «умным» материалам, которые функционально, полезно реагируют на изменение параметров окружающей среды. Доминантный признак умных материалов - эффект памяти формы. Он связан с де-формативностью материала. В древесине при стабильной температуре и влажности под нагрузкой во времени развиваются обратимые упругие ее и эластические ev деформации и необратимое течение е. После разгрузки остаются пластические деформации ер = е. Эффект памяти древесины основан на образовании замороженных деформаций.

Замороженные упруго-эластические деформации - следствие временной перестройки наноструктуры нагруженной древесины при увеличении ее жесткости в процессах сушки или охлаждения.

Эти квазиостаточные деформации были обнаружены в МГУЛ в начале 1960-х при сушке закрепленного образца древесины. История и основные результаты исследо-

ugolev@mgul.ac.ru, vgalkin@mgul.ac.ru

ваний деформационных превращений древесины рассмотрены в указанной выше статье. Приведем некоторые результаты экспериментов, выполненных в последнее время.

Из разработанного в 1971 г. (Уголев, Лапшин, 1971) интегрального закона деформирования древесины вытекает, что при сушке под нагрузкой общие деформации не меняются, несмотря на увеличение жесткости древесины. Это следствие перехода части упругоэластических деформаций в замороженные.

Визуализация этого явления и эффекта деформационной памяти древесины была выполнена на кленовых образцах лущеного шпона.

На рис. 1 показаны: исходная плоская форма полоски сырого шпона (а), кольцеобразная форма после нагружения (изгиба) сырого шпона (б), предсказанное интегральным законом деформирования сохранение общих деформаций при сушке нагруженной древесины (в), форма сухого образца шпона после разгрузки. Как видим, появился зазор

124

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012

Нанотехнологии композитов с использованием древесины

а

j

Рис. 1. Изменение формы образцов шпона и эффект памяти древесины: а - сырая древесина, б - нагруженная сырая древесина (изгиб вдоль волокон), в - после сушки под нагрузкой, г - после разгрузки сухой древесины, д - в начале увлажнения, е - через 27 сек. увлажнения, ж - через 48 сек увлажнения, з - после увлажнения и выдержки

в результате снятия упруго-эластических деформаций. Остались сет-деформации, включающие квазиостаточные замороженные деформации и пластические деформации. Последующее увлажнение образца приводит к его распрямлению. На рис. 1д,е,ж показаны формы образца на разных стадиях увлажнения. Они отражают не разбухание древесины (вдоль волокон оно ничтожно), а последствия «размораживания» замороженных деформаций. Происходит восстановление наноструктуры, ответственной за упруго-эластическую деформацию. После увлажнения образец почти вернулся к плоской форме (1з). Небольшая изогнутость образца свидетельствует о сохранившейся пластической деформации.

Более сложные явления происходят при стесненной усушке древесины, когда она

нагружается поперек волокон. Изменение наноструктуры древесины при совместном действии нагрузки и уменьшении влажности было исследовано совместно с Институтом физики твердого тела РАН методом ИК-спектроскопии. Исследования показали, что при сушке нагруженной древесины увеличивается степень ориентации в аморфных областях целлюлозы и возрастает концентрация водородных связей. Вымачивание в воде и последующая сушка восстанавливают исходную наноструктуру древесины.

На рис. 2 показана схема деформационного поведения древесины при сушке под постоянной растягивающей нагрузкой.

Компоненты сушильных деформаций: замороженная упруго-эластическая деформация f = sev1 - sev2, редуцированная усушка

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012

125

Нанотехнологии композитов с использованием древесины

Рис. 2. Схема деформирования древесины поперек волокон под постоянной нагрузкой, при сушке и разгрузке: 0-1 - растяжение влажной древесины, 1-2-3 - сушка нагруженной древесины, 3-4 - разгрузка и выдержка сухой древесины; отрезки: 0’-1- упруго-эластическая деформация влажной древесины е 3’-4- упруго-эластическая деформация сухой древесины, 1-2 равный 5-6 - пластическая деформация при сушке ер; 2-3 равный 0-6 - «редуцированная усушка» в’; 0-4 - «гипоусушка» в*; 4-5 - замороженная упруго-эластическая деформация 4-6 - сет-деформация es; 6-7 равный 3-7’ - «замороженная усушка» в^ 0-7 - свободная усушка в

нагруженной древесины в’; гипо-усушка, т.е. реально наблюдаемое уменьшение размера образца, высушенного под нагрузкой в*, замороженная усушка в/ = в - в’ и сет-деформация е были определены экспериментально на установке кафедры древесиноведения МГУЛ (Уголев, Галкин, Горбачева, Калинина, 2010). Опыты проводились на древесине ясеня (Fraxinus excelsior L.) при растяжении поперек волокон в тангенциальном направлении. Поперечное сечение образцов составляло 17Ч3 мм, база измерений 30 мм, температура 80 °C. Было подтверждено прогнозированное сохранение общих деформаций нагруженной древесины при сушке.

Далее было проведено исследование обратимости замороженных деформаций, остающихся после сушки нагруженной древесины, путем последовательного выполнения следующих операций. Каждый образец подвергался предварительному вымачиванию в воде, сушке, вымачиванию, затем - нагружению, сушке под постоянной нагрузкой, разгрузке и вымачиванию. На рис. 3 представлены результаты одного из опытов.

При увлажнении древесины происходят два противоположно направленных процесса: размораживание замороженных

деформаций и разбухание образца. Отрезок 6-7 отражает результат частичного размораживания и разбухания образца. Дальнейшее разбухание выявляет пластическую деформацию растяжения ер = 0,007, отраженную отрезком 9-10, равным отрезку 8-13. Участок 12-13 соответствует редуцированной усушке в’ = 0,076 Отрезок 11-13 отражает замороженную усушку в/= 0,106 - 0,076 = 0,030.

Заключая, отметим, что перестройка наноструктуры древесины под действием нагрузки и одновременно изменяющейся влажности или температуры приводит к образованию замороженной упруго-эластической деформации и замороженной усушки. Эти квазиостаточные деформации исчезают при увлажнении древесины. Замороженные деформации лежат в основе эффекта памяти формы у древесины как природного умного материала. При расчете сушильных напряжений необходимо учитывать не только образование заморожен-

126

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012