Исследование влагопроводности древесины после химической обработки

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛАГОПРОВОДНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ ПОСЛЕ

ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

А.Д. ПЛАТОНОВ, доц. каф. древесиноведения ВГЛТА, канд. техн. наук, Т.К. КУРЬЯНОВА, доц. каф. древесиноведения ВГЛТА, канд. техн. наук

Древесина по строению и формам связи с влагой существенно отличается от других коллоидных капиллярно-пористых тел. Она может быть представлена в виде поликапиллярного тела. Капиллярная структура в поперечном направлении сложная и схематически может быть представлена как совокупность микро-и макрокапилляров.

Размер капилляров в стенках и полостях клеток различен. Капилляры клеточных стенок являются микрокапиллярами, их радиус меньше 10-5 см. В микрокапиллярах находится только связанная - осмотическая, гигроскопическая влага. Эти капилляры не-

постоянные, они исчезают при испарении влаги.

Полости клеток, имеющие радиус больше 10-5 см, являются макрокапиллярами. Их размеры остаются постоянными в области выше предела насыщения клеточных стенок [5, 6].

Кроме влаги в жидкой фазе (связанная и свободная) древесина содержит парообразную влагу в макро- и микрокапиллярах, заполненных воздухом. Таким образом, в древесине при положительной температуре влага находится в двух фазовых состояниях: жидком и парообразном.

56

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2005

Сложное строение древесины обуславливает, как показал П.С. Серговский [6], и различный характер перемещения влаги внутри древесины при ее влажности ниже и выше предела насыщения клеточных стенок.

Несмотря на то, что изучением передвижения влаги в твердых гигроскопических телах занималось немало исследователей, полной ясности в этом вопросе нет и до настоящего времени. Это можно объяснить тем, что при передвижении влаги в древесине, особенно в процессе ее высыхания, переплетается слишком много зависимых и независимых величин.

Однако вся влага, удаляемая из древесины в процессе сушки, проходит в конечном итоге через поверхностную зону с влажностью ниже предела насыщения клеточных стенок. Поэтому значение коэффициента вла-гопроводности древесины для расчетов продолжительности сушки в равной мере необходимо как при влажности ниже точки насыщения волокна, так и при влажности выше точки насыщения клеточных стенок.

Влагопроводность зависит от многих факторов (порода, плотность, направление тока влаги и др.), но наибольшее влияние на нее оказывает температура. При повышении температуры влагопроводность существенно возрастает. Это обусловлено тем, что при повышении температуры возрастает интенсивность перемещения как парообразной влаги (вследствие возрастания коэффициента диффузии пара), так и влаги, находящейся в жидкой фазе (вследствие уменьшения ее вязкости).

Отсюда можно предположить, что повышение влагопроводности следует вести в направлении ускорения движения влаги в виде пара по макрокапиллярам [3].

Анализ структуры элементов, входящих в состав древесины дуба, показывает, что все они в большей или меньшей степени участвуют в процессах водопроводности. Главной же водопроводящей структурой являются сосуды. Остальные элементы, соприкасаясь с сосудами посредством пор, образуют единую сообщающуюся водопроводя-щую систему.

Однако водопроводящую способность сосуды большинства кольцесосуди-стых и ряда рассеяннососудистых пород сохраняют, в зависимости от условий произрастания деревьев, от 4 до 12 лет [7]. Утрата водопроводящей способности сосудов происходит по причине закупорки их тилами. Таким образом, большая часть сосудов во-допроводящей системы за исключением за-болонной части ствола со временем перестает выполнять свои функции. Такое исключение большей части сосудов из водопроводя-щей системы не только затрудняет передвижение влаги в дереве, но и в процессе сушки. Отсюда следует, что для того, чтобы увеличить интенсивность передвижения влаги необходимо «подключить» к общей водо-проводящей системе сосуды, закупоренные тилами.

Предварительная химическая обработка позволяет разрушить тилы и осуществить поверхностную пропитку древесины соляным раствором. Разрушение тил в сосудах позволит соединить все проводящие элементы древесины в единую непрерывную систему. Это, в свою очередь существенно сократит время перемещения влаги из внутренней части древесины к поверхности. Увеличение влагопроводности, а следовательно и сокращение продолжительности сушки, будет особенно ощутимым в заключительный период падающей скорости, когда в общем процессе влагопроводности преобладает движение влаги в виде пара.

В пиломатериалах, наружные слои которых пропитаны раствором соли, упругость пара на поверхности меньше, чем во внутренних слоях, где содержится вода (чистый растворитель). Эта разность парциальных давлений и вызывает более интенсивный, дополнительный внутренний перенос влаги в материале [4].

Для подтверждения теоретических предпосылок о влиянии химической обработки на интенсивность передвижения влаги в древесине авторами была проведена серия экспериментов по определению численных значений коэффициента влагопроводности обработанной древесины.

Методика исследования

Методика планируемого эксперимента должна обеспечить получение достаточно достоверных данных о величине коэффициента влагопроводности при различных температурных режимах при соблюдении следующих условий:

- движение влаги через образец должно происходить при заданной температуре и влажности воздуха;

- передвижение влаги в образцах должно происходить лишь в заданном направлении;

- процесс убыли влаги должен регулярно контролироваться до достижения постоянного значения.

Явление влагопроводности древесины рассматривалось не в процессе высыхания, а в установке, обеспечивающей постоянную скорость продвижения влаги и постоянное распределение увлажненности материала.

Все эти условия удалось осуществить посредством методики, описанной ниже.

Для проведения экспериментов была использована древесина дуба, ясеня, лиственницы, бука и древесина дуба мореного. Из свежесрубленной древесины были выпилены заготовки толщиной 50 мм, шириной 100 мм и длиной 400 мм с тангенциальным расположением волокон

При проведении опытов по определению коэффициента влагопроводности размеры образцов должны быть стабильными, поскольку от их формоустойчивости зависит плотность прилегания изолирующего материала к боковым граням. С этой целью все образцы были выдержаны в комнатных условиях в течение шести месяцев до достижения ими устойчивой влажности.

После выдержки из каждой заготовки последовательно были изготовлены образцы диаметром и высотой по 30 мм таким образом, чтобы обеспечить ток влаги в тангенциальном направлении. Для этого их боковые поверхности были тщательно изолированы.

Коэффициент влагопроводности был определен методом стационарного тока влаги в установке, разработанной Арциховской [2].

Подготовленные образцы вместе со стаканчиками были помещены в эксикаторы. На дно эксикаторов была налита концентрированная серная кислота. Затем эксикаторы были помещены в термостаты с постоянной температурой соответственно 20, 60 и 80 °С.

В результате разности парциальных давлений пара в стаканчике и эксикаторе через образец начинается ток влаги. Для контроля за количеством прошедшей через образец влаги их периодически вынимали через равные промежутки времени и взвешивали.

Для того чтобы избежать постепенного разжижения концентрированной серной кислоты вследствие поглощения ею водяного пара, она периодически обновлялась.

После стабилизации тока влаги образцы были вынуты из экспериментальной установки и на основании послойной влажности и скорости тока влаги определены численные значения коэффициента влаго-проводности.

Результаты опытов

В табл. 1 представлены средние значения коэффициента влагопроводности по результатам опытов. Наибольшее влияние на влагопроводность оказывает продолжительность предварительной химической обработки древесины и температура окружающей среды.

Продолжительность химической обработки оказывает большое влияние на вла-гопроводность древесины. Так, максимальные значения коэффициента влагопроводно-сти достигаются при 1,5-2,0 часах химической обработки. Свыше 2-2,5 часов отмечается снижение влагопроводности древесины.

По всей видимости данную закономерность можно объяснить следующим образом. При обработке древесины в течение первых двух часов происходит разрушение основной массы тил в сосудах. Это способствует резкому увеличению влагопроводно-сти древесины. Однако одновременно с разрушением тил в поверхностные слои древесины проникает соляной раствор. Чем длительнее химическая обработка, тем больше раствора проникнет в древесину.

Таблица 1

Средние значения коэффициента влагопроводности некоторых трудносохнущих пород

в тангенциальном направлении в зависимости от продолжительности обработки и __температуры среды_

Порода Температура среды, °С Продолжительность обработки

1 час 2 часа 3 часа

Дуб 20 1,28 1,24 1,13

60 6,64 6,63 5,75

80 10,8 11,94 12,13

Ясень 20 1,78 1,75 1,30

60 9,07 9,0 8,18

80 15,12 15,99 16,22

Бук 20 1,46 1,34 1,16

60 7,98 7,93 7,11

80 12,65 13,02 13,21

Лиственница 20 0,83 0,77 0,51

60 0,43 0,40 0,33

80 0,72 0,82 0,89

В процессе подсыхания поверхности древесины концентрация соляного раствора в ней постоянно растет и происходит его частичная кристаллизация, т. е. закупорка полостей древесины кристаллами соли, которая и затрудняет продвижение влаги к поверхности древесины.

Большое влияние на влагопровод-ность древесины оказывает температура. Отмечается устойчивый рост влагопроводности древесины с повышением температуры. При температуре около 80 °С и выше интенсивность потока влаги возрастает и пропитанный соляным раствором слой уже не оказывает заметного сопротивления продвижению влаги и последующему ее испарению.

Средние, значения коэффициентов влагопроводности древесины после химической обработки для сравнения с натуральной древесиной (по данным Алпаткиной [1]) представлены на рис. 1 и 2. Из рис. 1 видно, что предварительная химическая обработка позволяет увеличить коэффициент влаго-проводности для кольцесосудистых пород примерно в 2,2-3 раза, для некоторых рассе-яннососудистых в 1,3-1,5 раза, а для хвойных, на примере лиственницы в 1,25-1,30.

Были проведены исследования по определению коэффициента влагопроводности мореной древесины дуба. Влагопроводность этой древесины сильно зависит от степени и условий морения, поэтому значения коэф-

фициента влагопроводности имеют большой интервал варьирования и превосходят аналогичные значения для натуральной древесины дуба от 2 до 5 раз. По этой причине на графике рис. 1 они не представлены.

На рис. 3-6 показано влияние температуры среды и продолжительности химической обработки на влагопроводность древесины.

При невысокой температуре среды кривые влагопроводности древесины имеют два характерных излома. Первый - при влажности 12 %, а второй - при 20 %. При 12 % влажности отмечается резкое увеличение влагопроводности древесины. Наибольшее увеличение происходит после 2-часовой обработки, когда в древесине уже разрушена основная часть тил. В процессе последующей химической обработки происходит разрушение оставшейся незначительной части тил и осуществляется более глубокое проникновение соляного раствора в древесину.

По своей численной величине коэффициент влагопроводности древесины после 2-х часов обработки имеет максимальное значение для любого температурного интервала (рис. 3-6). Однако считать указанную продолжительность оптимальной нельзя. Численные значения влагопроводности древесины после 1 и 3 часов близки по своей величине, но по механизму прохождения влаги имеются некоторые отличия.

сл О

О

S H о о X

и о и о о с о

U CÖ

ч и

H X <и

х х s -е -е

m

о «

20

10 8 6 5 4 3 2

1

0,8 0,6 0,5

V

1 \ 2 Т 3 \— 4

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 Температура, оС

Рис. 1. Расчетная диаграмма средних коэффициентов влагопроводности некоторых древесных пород в тангенциальном направлении после химической обработки: 1 - ясень; 2 - бук; 3 - дуб; 4 -лиственица

о

S H о о X

ч о и о о с о

U CÖ

ч и

H X <и

s

X

X

-е -е

m

о «

20 I

10 8 6 5 4 3

1

0,8 0,6 0,5

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 Температура, оС

Рис. 2. Расчетная диаграмма средних коэффициентов влагопроводности древесины поперек волокон для главнейших пород: 1 - сосна, ель, осина; 2 - береза; 3 - бук; 4 - лиственница; 5 - дуб

2

После 3 часов химической обработки в древесине практически отсутствуют тилы и интенсивность тока влаги высока. Количество соляного раствора в поверхностных слоях древесины будет выше по сравнению с 1 часом обработки. Соляной раствор обладает повышенной гигроскопичностью и значительно понижает интенсивность испарения влаги с поверхности материала. Таким образом, после 3 часов химической обработки наблюдается интенсивный ток влаги по материалу, но при пониженной ее испаряемости с поверхности.

С точки зрения технологии сушки обработка в течение 2,5-3 часов более предпочтительна, поскольку поверхность материала не пересыхает и отмечается более равномерное распределение влаги по его сечению.

На рис. 6 представлены кривые, характеризующие средние значения влагопро-водности древесины после химической обработки. В интервале температур 20-60 °С влажность древесины не оказывает большого влияния на коэффициент влагопроводно-сти. При температуре 80 °С отмечается рост коэффициента влагопроводности с уменьшением влажности древесины.

Незначительное увеличение продолжительности процесса сушки компенсируется высоким качеством высушиваемого материала.

Как видно, между кривыми, приведенными отдельными авторами, имеется существенное расхождение. Следует, однако, отметить, что не все из приведенных на рис. 7 данных могут считаться одинаково надежными.

о 8

о* 2,5

О

о 2

%

8 1,5

о

== 1

' О

о а 0,5

В

- ев 0

\

1 \ 2 \ 3

Ч

в 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Влажность, %

Рис. 3. Значения коэффициента влагопроводности по влажности при температуре 20 °С и продолжительности химической обработки: 1 - один час; 2 - два часа; 3 - три часа

Ё 2 а

я Н а о 8 2 5 х1 о ю

~ о а с о

1«

и

о

9 8 7 6 5 4 3 2

1 3 2

8 10 12

14 16 18

Влажность, %

20 22 24 26

28

Рис. 4. Значения коэффициента влагопроводности по влажности при температуре 60 °С и продолжительности химической обработки: 1 - один час; 2 - два часа; 3 - три часа

4

6

16

о 14

О

н м Е 12

8

<ц 8 я н 10

8 о

8 О 8

8

ч о

со о и о а 6

8 О 4

<3

и 2

с

/ —

/ / N

1 2 / /

10 12

14 16 18

Влажность, %

20 22 24 26

28

Рис. 5. Значения коэффициента влагопроводности по влажности при температуре 80 °С и продолжительности химической обработки: 1 - один час; 2 - два часа; 3 - три часа

14

СЛ

9 12

н2 10

в „

а  8 5

8 О «

и §

£ а

а о 1-

й ч и

1 2 /3

7

10 12

14 16 18

Влажность, %

20 22 24 26 28

Рис. 6. Средние значения коэффициента влагопроводности древесины по влажности после химической обработки: 1 - температура 20 °С; 2 - температура 60 °С; 3 - температура 80 °С

Вполне надежными могут считаться данные Арциховской и Лыкова. Эти данные, как видно из рис. 7, подтверждают теоретическое предположение о том, что коэффициент влагопроводности в области ниже точки насыщения волокна изменяется с изменением влажности весьма незначительно и может приниматься постоянным при неизменной температуре.

Характер кривой влагопроводности древесины после химической обработки хорошо согласуется с данными, полученными Арциховской. Химическая обработка значительно повышает влагопроводность древесины. На рис. 7 представлена кривая, полученная по результатам опытов с древесиной ядра дуба в тангенциальном направлении. Средние значения влагопроводности древе-

сины дуба сопоставимы с влагопроводно-стью древесины сосны. Практика опытных сушек показала, что продолжительность сушки древесины дуба после химической обработки приблизительно близка к продолжительности сушки древесины сосны при прочих равных условиях.

На основании полученных значений коэффициента влагопроводности были проведены аналитические расчеты по определению продолжительности процесса сушки. Результаты аналитических расчетов и опытных сушек подтвердили правильность теоретических предпосылок. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 3 %, что является вполне приемлемой точностью для производственных расчетов.

4

6

8

4

6

8

8 Н о о к п

о «

о

о и ев

ч «

§

•е -е

со о

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

/X

/ // /г \ \

\ 4 \ 3

5 1

* * // />у У // л/ / у - - - - - -

ф / / \ /

/ 1 \ 2 / 6

0

5

10

15

20

25

30

Влажность, %

Рис. 7. Коэффициенты влагопроводности древесины при температуре 40 °С по данным различных

исследований: 1 - по Арциховской

Выводы

1. Предварительная химическая обработка позволяет разрушить тилы и осуществить поверхностную пропитку древесины соляным раствором. Разрушение тил в сосудах позволит соединить все проводящие элементы древесины в единую непрерывную систему.

2. Химическая обработка значительно повышает влагопроводность древесины.

3. Величина коэффициента влагопро-водности зависит от продолжительности химической обработки.

4. Коэффициент влагопроводности в области ниже точки насыщения волокна изменяется с изменением влажности весьма незначительно и при неизменной температуре может приниматься постоянным.

Библиографический список

1. Алпаткина Р. П. О влагопроводности древесины важнейших отечественных пород / Р.П. Алпатки-

на // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1967. -№ 9. - С. 12-14.

2. Арциховская Н.В. Исследование влагопроводности древесины / Н.В. Арциховская // Труды ин-та леса. Т. IX. - М.: Изд. АН СССР, 1957. -С. 127-158.

3. Курьянова Т. К., Платонов А. Д. Интенсификация процесса сушки древесины / Т.К. Курьянова, А. Д. Платонов // Современные технологические процессы получения материалов и издел. из древесины: Матер. Всерос. науч.-технич. конфер. с междунар. участ. Воронеж, 17-19 сент., 2001. - Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн. акад., - 2001. - С. 216-218.

4. Малеев В. И. Ускоренная сушка древесины / В.И. Малеев, В.А. Баженов // Лесная индустрия. -1937. - № 9. - С. 65-71.

5. Москалева В. Е. Строение древесины и ее изменение при физических и механических воздействиях / В.Е. Москалева. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 165 с.

6. Серговский П.С. Расчет процессов высыхания и увлажнения древесины / П.С. Серговский. - М.: Гослесбумиздат, 1952. - 75 с.

7. Эзау К. Анатомия семенных растений: В 2 кн. / К. Эзау. - М.: Мир, 1980. (Кн. 1. - 224 с., Кн. 2. -225 с.).

0