Исследование физико-механических свойств термомодифицированной древесины березы

УДК 674.046.7

Р. Р. Сафин, А. В. Сафина, А. Х. Шаяхметова

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ

Ключевые слова: термомодифицирование, древесина берёзы.

В статье рассматриваются наиболее важные физико-механические свойства термообработанной древесины берёзы, такие как гигроскопичность, формоустойчивость и биостойкость, и проведён ряд экспериментальных исследований.

Keywords: termomodifitsirovanie, birch wood.

The article deals with the most important physical and mechanical properties of heat-treated wood birch, such as hygroscopicity, dimensional stability and biostability and conducted a series of experimental studies.

Введение

Термическое модифицирование древесины является одним из актуальных направлений развития деревообрабатывающей промышленности. Термическое модифицирование древесины позволяет повысить покупательскую привлекательность пиломатериала благодаря снижению гигроскопичности, повышению формоустойчивости и биостойкости, а также благодаря улучшению декоративных качеств недорогих пород.

Процессы термической модификации древесины проходят при температурах от 433 до 533К в бескислородной среде в специальных камерах [1, 2, 10, 11,14, 15]. Время обработки охватывает от 15 мин до 24 ч, в зависимости от типа процесса, древесных пород, размеров образца, начальной влажности, необходимого уровня изменения механических свойств, стойкости к биологическому износу и размерной стабильности продукта. Основные отличия технологий по всему миру - это среда, в которой происходит процесс термического модифицирования древесины: водяной пар, масло, инертная среда и т.д.

На сегодняшний день повышенный интерес производителей к термообработанной древесине очевиден и обусловлен он двумя факторами:

1) термическое модифицирование древесины придает ей свойства, которые невозможно получить при традиционной сушке: термомодифицированная древесина практически не впитывает воду, вследствие чего изделия из нее могут сохранять свою форму при изменении влажности, устойчива к гниению без дополнительной обработки защитными средствами, приобретает в ходе обработки новые цветовые решения по всей глубине тела [4];

2) введением запрета Еврокомиссией с начала 2004 года на применение химически обработанной древесины, например, обработанную антисептиками, содержащими соли тяжелых металлов [3, 7].

Термическая обработка является экологически чистым методом, который позволяет изменить свойства и цвет древесины для удовлетворения рыночного спроса. [16,18,19]. Многие эксплуатационные свойства древесины улучшаются после термообработки, однако отсутствует четкая система, определяющая зависимость изменения физико-

механических свойств материала от тепловой обработки при температуре от 453 до 513К, что в свою очередь объясняется также отсутствием единых стандартов и норм в этой области. Известно, что термическая обработка неоднозначно отражается на прочностных свойствах древесины в результате влияния различных факторов, таких как продолжительность обработки, температура нагревательной среды, влажность древесины и давление.

С учетом сохраняющейся текстуры натурального дерева наиболее рациональной формой эксплуатации термодревесины является использование её как отделочного материала. В России классическим представителем древесины в районе средней полосы является береза, обладающая низкой биоустойчивостью и непривлекательной текстурой. Термическая обработка позволит сделать березу более привлекательной для производства продукции с высокой добавленной стоимостью и позволит расширить области ее возможного использования. При этом анализ литературных источников показал, что исследования влияния тепловой обработки на основные физико-механические свойства термоберезы как материала для отделки отсутствуют [17,20].

Поэтому целью данной работы является исследования физико-механических свойств термомо-дифицированных образцов древесины березы и оценка влияния тепловой обработки на изменения сорбционных и теплофизических характеристик, ударной твердости, коэффициента неоднородности, ударной твердости, предела прочности при сжатии и предела прочности при статическом изгибе в зависимости от температуры и продолжительности обработки [12,13].

Материалы и методы

В качестве модельного материала для экспериментальных исследований термомодифицирования древесины было выбрано дерево береза бородавчатая (условная плотность 500 кг/м3) с учетом наибольшей распространенности в районе средней полосы России. Выбор древесины березы также объясняется наличием в справочной литературе наиболее полных сведений о теплофизических и физико-механических свойствах данной породы.

Для исследования изменения гигроскопичности древесины вследствие термообработки, исследуемые образцы предварительно подвергались модифицированию при различных температурах, далее образцы взвешивались и выдерживались в насыщенном паре до постоянной массы (максимальное время выдержки составило 26 часов).

Определение величины давления набухания, возникающего вследствие препятствий свободному увеличению размеров (объема) древесины при поглощении связанной влаги, проводили по стандартизованной методике (ГОСТ 16483.14-72). Два образца в виде прямоугольной призмы с основанием 12^12 мм и толщиной вдоль волокон 8 мм, выпиленные из модифицированного бруска, в сушильном шкафу доводят до абсолютно сухого состояния, охлаждают и испытывают в приборе, обеспечивающем измерение давления набухания.

Для определения величины радиальной, тангенциальной и объемной усушки термомодифици-рованной древесины использовали образцы в виде четырехгранных прямоугольных призм с основаниями 20*20 мм и выстой вдоль волокон 30 мм (ГОСТ 16483.37-80 и ГОСТ 16483.38-80). Влажность образцов соответственно термомодифициро-ванной древесины 6 %, высушенной древесины - 12 %, что ниже предела насыщения клеточных стенок, поэтому образцы вымачивали в дистиллированной воде при 1 = 293±323К. Через каждые 3 суток измеряли соответствующие размеры у образцов. После того как расхождения между результатами двух последних измерений оказались менее 0,02 мм, образцы осушили фильтровальной бумагой и определили их окончательные поперечные размеры по серединам радиальных и тангенциальных поверхностей с погрешностью не более 0,01 мм. Таким образом, установили исходный размер для определения тангенциальной и радиальной линейной усушки. Затем образцы подсушили в течении 2 суток для исключения растрескивания, далее сушили в сушильном шкафу до постоянных размеров, постепенно поднимая температуру до 376 К. Через каждый час измеряли размеры образцов, пока разница между двумя последними измерениями не стала 0,02 мм. По результатам измерений определили коэффициент усушки каждого образца с точностью 0,1%.

Определение радиального, тангенциального и объемного разбухания провели согласно ГОСТ 16483.35-80 и ГОСТ 16483.36-80 используя оборудование и процедуру (в обратной последовательности), применяемые для определения усушки.

Экспериментальные исследования по определению теплофизических коэффициентов теплоемкости и теплопроводности термомодифицированной древесины проводились согласно ГОСТ 21523.3.193 и ГОСТ 21523.3.2-93. Образцы для испытаний длиной 120 мм, шириной 100 мм и высотой 16 мм высушены до постоянной массы при температуре 376 К. Значение параметра шероховатости поверхности образцов не должно превышать 20 мкм по ГОСТ 7016.

Для исследования механических свойств были подготовлены образцы древесины, термомоди-

фицированные при температурах 453, 473, 493 и 513 К в течении 2, 4 и 6 часов.

Ударную твердость древесины установили согласно ГОСТ 16483.16-81. Для этого на радиальную поверхность образцов древесины, имеющих форму прямоугольной призмы сечением 20*20 мм и длиной вдоль волокон 150 мм, при помощи специального устройства с высоты 500*1 мм сбрасывали стальной шарик плотностью 7,8 г/см3 и диаметром 25*0,05 мм. После чего определяли площадь проекции отпечатка от удара шарика и вычисляли отношение потенциальной энергии шарика к площади полученной проекции. Разделив работу, затраченную на удар, на площадь отпечатка получили характеристику ударной твердости. Предел прочности при сжатии вдоль и поперек волокон древесины установили согласно ГОСТ 16483.10-73. Для проведения исследований древесины на прочность использовалась универсальная испытательная машина марки ИР 5082-50 для образцов в форме призм с основанием 20*20 мм и высотой 30 мм. Исследование прочности термодревесины при статическом изгибе производилось также на вышеуказанной испытательной машине для образцов термомодифици-рованной древесины размерами 20*20*30 мм.

Результаты и обсуждение

В таблицах 1 и 2 представлены результаты исследования теплофизических свойств термически обработанных образцов березы в зависимости от температуры обработки.

Установлено, что с повышением температуры обработки гигроскопичность древесины существенно снижается в молекулах целлюлозы. Снижение гигроскопичности наблюдается и при увеличении продолжительности обработки при одной и той же температуре (рис. 1).

т/т,,

/7//' л

1

£3=1 [=*=1 [=1=1 1=1=1

-МП к

-иеобраб.

Рис. 1 - Зависимость влияния времени обработки древесины на относительную массу т - х; ш/шп - у

Основными причинами снижения плотности древесины после термообработки является потеря компонентов древесины (в основном гемицеллюлозы) в

летучих продуктах, которые получаются во время обработки, испарение экстрактивных веществ и меньшая равновесная влажность древесины.

Таблица 1 - Изменение плотности и коэффициентов усушки и разбухания радиальных и тангенциальных от температуры обработки

ура обработки, Т, К С1 м ъ к (9 с о Коэффициент усушки, кь, % Коэффициент разбухания, Ка, %

ат отн

р е о л

ем Т П

кЬг кы Каг Ка1

453 518 0,125 0,209 0,170 0,210

473 512 0,120 0,200 0,130 0,200

493 503 0,090 0,150 0,100 0,180

513 490 0,025 0,090 0,050 0,090

Таблица 2 - Изменение сорбционных и теплофи-зических свойств от температуры обработки.

Температура обработки, Т, К Равновесная влажность древесины, и,% Давление набухания, Р, МПа Удельная теплоемкость С, Дж/

453 14,8 600 1405 0,070 0,90

473 14,0 510 1420 0,055 0,75

493 14,0 410 1509 0,050 0,68

513 14,0 320 1612 0,046 0,59

На рис. 2. представлены результаты испытаний ударной твердости образцов древесины березы, термомодифицированных при температурах 243, 273, 293 и 513 К в течении 2, 4 и 6 часов.

Проблемам исследования и разработки технологии термомодифицирования древесных материалов посвящены работы в основном зарубежных ученых [5]. В работе [22] отражено, что термообработка древесины при температурах от 453 до 473К в присутствии влаги приводит к значительному снижению устойчивости к ударам, модуля упругости, предела прочности при разрыве и прочности на сжатие. Авторы [23] обнаружили, что предел прочности при разрыве уменьшается при понижении температуры термообработки, тогда как на модуль упругости он влияет не значительно. В работе [21] проводились исследования механических свойств термо-модифицированной древесины рябины, выращенной в Турции. Авторы установили, что такие механические свойства испытуемых образцов как прочность

на сжатие вдоль волокон, предел прочности при разрыве, модуль упругости при изгибе, твердость Янка, сопротивление изгибу, сила растяжения вдоль волокон, прочность на сдвиг, прочность расщепления и сила растяжения перпендикулярно волокнам уменьшаются с увеличением температуры и времени обработки. Влияние тепловой обработки было значимым для всех анализируемых переменных. Максимальное снижение всех свойств наблюдалось при обработке образцов при температуре 353 К в течение 10 ч.

Рис. 2 - Зависимость влияния времени и температуры обработки на ударную твёрдость образцов берёзы т - х; Н3^ - у

МПа

50

К -В-473 К

р 4 1 а

---- *-К

т,ч

Рис. 3 - Зависимость влияния продолжительности и температуры обработки на изменение прочности образцов при сжатии вдоль волокон. т

— х, ©w сж — у

Рис. 4 - Зависимость влияния температуры и продолжительности обработки на прочность при изгибе образцов березы т - х, ©изгиб - у

Выводы

Анализируя динамику изменения представленных на рис. 1 показателей можно утверждать, что все физические свойства испытуемых образцов уменьшаются с увеличением температуры и времени обработки.

На основании полученных данных по рис. 2 установлено, что повышение температуры и увеличение продолжительности обработки при термомодифицировании ведет к снижению ударной твердости древесины и уменьшению ее анизотропии. До теплового воздействия больший диаметр овального отпечатка от ударного воздействия стального шарика совпадал с направлением волокон и значительно превосходил по размеру меньший диаметр, после воздействия - произошло существенное увеличение диаметра, направленного поперек волокон (форма опечатка приблизилась к окружности), что и вызвало снижение коэффициента неоднородности ударной твердости.

Результаты исследований предела прочности при сжатии вдоль волокон образцов древесины березы, подвергнутых тепловой обработке (рис. 3), так же свидетельствуют о снижении данного показателя в процессе термомодифицирования.

Результаты исследований, представленные на рис. 4, показали, что предел прочности древесины при статическом изгибе, как и показатель ударной твердости и предел прочности при сжатии, уменьшается при увеличении температуры и продолжительности термической обработки [6-9].

Результаты этого исследования совместимы с результатами аналогичных исследований, связанных с воздействием термической обработки на различные свойства различных видов деревьев.

Литература

1. Разумов Е.Ю. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК- спиктрометра / Разумов Е.Ю., Ха-саншин Р.Р., Сафин Р.Р., Кайнов П.А. // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. № 10 - С. 100-103.

2. Сафин Р.Р. Разработка новой техноллогии получения термодревесины / Сафин Р.Р., Белякова Е.А., Разумов Е.Ю. // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. № 1 - С. 157-162.

3. Сафин Р.Р. Исследование вакуумно-кондуктивного процесса модифицирующей термообработки древесины / Сафин Р.Р., Разумов Е.Ю., Герасимов М.К., Ахметова Д.А. // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009. № 3 - С. 9-11.

4. Хасаншин Р.Р. Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины / Ха-саншин Р.Р., Сафин Р.Р., Валиев Ф.Г., Данилова Р.В. // Вестник Казанского технологического университета. -2012. Т. 15. № 7 - С. 64-66.

5. Syunyaev R.Z. The influence of internai structure and dispersity to structurai-mechanicai properties of oii systems / Syunyaev R.Z., Safieva R.Z., Safin R.R // Journal of Petroleum Science and Engineering. - 2000. - Т. 26. № 1-4 - С. 31-39.

6. Сафин Р.Р. Вакуумно-конвективное термомодифицирование древесины в среде перегретого пара / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Шайхутдинова А.Р // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 6 - С. 93-99.

7. Сафин Р.Р. Исследование термомодифицирования древесины в среде топочных газов / Сафин Р. Р., Разумов Е.Ю // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - № 1 - С. 015-018.

8. Сафин Р.Р. Разработка технологии создания влагостойкой фанеры / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Зиатдинов Р.Р., Зиятдинова А.Р // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15. № 20 - С. 64-65.

9. Сафин Р.Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды / Сафин Р.Р., Валеев И.А., Сафин Р.Г // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2005. - № 2 - С. 168-173.

10. Хасаншин Р.Р. Термическая обработка древесного наполнителя в производстве композиционных материалов / Хасаншин Р.Р., Лашков В.А., Сафин Р.Р., Валиев Ф.Г. // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. № 20 - С. 150-154.

11. Сафин Р.Р. Имитация древесины морёного дуба термомодифицированием / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Разумов Е.Ю., Белякова Е.А. // Дизайн. Материалы. Технология. - 2010. № 3 - С. 95-98.

12. Сафин Р.Р. Экспериментальные исследования термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях / Сафин Р.Р., Белякова Е.А.

// Вестник Казанского технологического университета. -2011. № 12 - С. 241-245.

13. Сафин Р. Р. Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древесины в жидкостях / Сафин Р.Р., Белякова Е.А., Халитов Р.А., Бай-гильдеева Е. И. // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. Т. 15. № 3 - С. 131-133.

14. Сафин Р.Р. Усовершенствование технологии термомодифицирования древесины Bikos-tmt / Сафин Р.Р., Белякова Е.А. // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. Т. 15. № 13 - С. 134-136.

15. Сафин Р.Р. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины / Сафин Р.Р., Каша-пов Н.Ф., Канарский А.В., Разумов Е.Ю., Ахметова Д.А. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2009. № 3-4 - С. 104-110.

16. Белякова Е.А. Разработка методики классификации термомодифицированной древесины с помощью цветовой гаммы / Сафин Р.Р., Бодылевская Т.А. // Деревообрабатывающая промышленность. - 2013. № 1 - С. 30-34.

17. Сафин Р.Р. Способ сушки и термической обработки древесины / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Оладышкина Н.А., Разумов Е.Ю., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А., Кузьмин И.А., Мазохин М.А., Шайхутдинова А.Р., Ахтямова Т.Н., Воронин А.Е. // патент на изобретение RUS 2425305 04.03.2010

18. Сафин Р.Р. Способ морения древесины и устройство для его реализации / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Разумов Е.Ю., Сафин Р.Г., Белякова Е.А., Галяветдинов Н.Р., Кайнов П. А., Оладышкина Н.А. // патент на изобретение RUS 2453426 30.12.2010

19. Разумов Е.Ю. Математическая модель процесса термомодифицирования древесины труднопропитываемых пород в жидкости / Разумов Е.Ю., Белякова Е.А., Сафин Р.Р. // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. № 16 - С. 233-239.

20. Сафин Р.Р. Исследование термомодифицирования древесины сосны в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Ахметова Д.А. // Дизайн и производство мебели. - 2008. № 2 - С. 36-39.

21. Korkut S. Effect of high-emperature treatment on the mechanical properties of rowan (sorbus aucuparia L.) wood / Korkut S., Budak M // Drying technology: an international journal. - 2009.

22. Giebeler, E. Dimensional stabilization of wood by mois-ture-heatpressur / Giebeler E. // Holz als Roh- und Werkstoff. - 1983 - С 41, 87-94.

23. Bekhta P. Effect of high temperature on the change in color, dimensional stability and mechanical properties of spruce wood / Bekhta P., Niemz, P. // Holzforschung. -2003. № 57 (5) - С 539-546.

24. Мухаметзянов Ш.Р Выявление закономерностей термодинамики древесины / Мухаметзянов Ш.Р., Кайнов П.А., Мазуркин П.М. // Вестник Казанского технологического университета, 2013. - Т.16. - №62. - С. 61-63.

25. Мухаметзянов Ш.Р. Способ обработки термомодифи-цированной древесины // Деревообрабатывающая промышленность. - Москва, 2012. №2. С.35-39.; 14.

26. Сафин Р.Р. Обзор современных технологических решений повышения энергоэффективности в процессах сушки пиломатериалов / Сафин Р.Р., Хакимзянов И.Ф., Кайнов П.А., Николаев А.Н., Сафина А.В. // Вестник Казанского технологического университета. Казань. 2014. Т. 17. № 21. С. 50-52.

27. Галяветдинов, Н.Р. Усовершенствование технологии изготовления древесно-наполненных композиционных материалов / Н. Р. Галяветдинов // Деревообрабатывающая промышленность. 2012. - №1. - С. 25-27.

© Р. Р. Сафин - д.т.н., проф., зав. каф. архитектуры и дизайна КНИТУ, safin@kstu.ru; А. В. Сафина - к.т.н., доц. той же кафедры, cfaby@mail.ru А. Х. Шаяхметова - асс. той же кафедры, ShayaAlbina@mail.ru.

© R. R. Safin - doctor of engineering, professor Head of the Department of "Architecture and design of wood" of KNRTU, safin@kstu.ru; А. V. Safina - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair, cfaby@mail.ru; A. K. Shayakhmetova - Assistant of of the same chair, ShayaAlbina@mail.ru.