Термомеханическое модифицирование древесины

УДК 674.04

Е. А. Белякова, А. Ю. Седова

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: древесина липы, декоративный материал, термомеханическое уплотнение.

Задача представленной работы - улучшение технических показателей древесины. Быстрорастущие породы представляют собой ценное сырье для различных областей деревоперерабатывающей промышленности. Однако их отличает низкая механическая прочность и твердость. В связи с этим задачей исследования было повышение механических свойств древесины без применения химических веществ. Для этого образцы древесины липы подвергали термомеханическому уплотнению при различных температурах (160, 180, 200°С), продолжительности (15, 30, 45 мин) и степени уплотнения (20, 30, 40%). После испытаний были проанализированы изменения значений твердости, предела прочности при изгибе, модуля упругости, усушки, средней плотности, плотности сечения древесины липы в зависимости от режимов обработки.

Ключевые слова: linden wood, decorative materials, thermo mechanical seal.

The task of the present work - improving the technical parameters of wood. Fast-growing species is a valuable raw material for a variety of wood processing industry. However, they are distinguished by low mechanical strength and hardness. In connection with this objective of the study was to improve the mechanical properties of the wood without the use of chemicals. For this, the samples were subjected to thermo mechanical linden wood compaction at various temperatures (160, 180, 200 ° C), the length (15, 30, 45 min) and compaction (20, 30, 40%). Tests were analyzed after changing values of hardness, flexural strength, modulus of elasticity, shrinkage, medium density, density sectional linden wood, depending on processing conditions.

Введение

Основной целью представленной исследовательской работы было улучшение технических показателей древесины липы. Она относится к быстрорастущим породам и представляет собой ценное сырье для различных областей деревоперерабаты-вающей промышленности (фанерное производство, древесно-полимерные композиты, столярное производство). Однако есть и некоторые отрицательные свойства, такие как низкая твердость и механическая прочность, также малопривлекательные текстура и цвет. Последние характеристики ограничивают использование древесины липы. В связи с этим задачей исследования было улучшение прочностных характеристик древесины липы без применения химических веществ.

Для этого образцы древесины липы подвергли термомеханическому уплотнению при различных температурах (160, 180, 200°С), продолжительности (15, 30, 45 мин) и степени уплотнения (20, 30, 40%). После испытаний были проанализированы изменения значений твердости, предела прочности при изгибе, модуля упругости, усушки, средней плотности, плотности сечения древесины липы в зависимости от режимов обработки. Технология термообработки подробно представлена в ранее опубликованных работах Сафина Р.Р., Беляковой Е.А, Хасанши-на Р.Р., Бодылевской Т.А., Бодылевского К.А. и др. [1-23,25,26].

Липа широко произрастает в средней и южной полосе европейской части России, в Западной Сибири, в Крыму и на Дальнем Востоке. По распространенности липа занимает четвертое место среди лиственных пород Росси. Липа - быстрорастущая безъядровая порода, древесина белая с легким розоватым оттенком, годичные слои слабозаметные, древесина имеет однородное строение, мягкая, легко режется, мало коробится. Плотность при 12% -

495 кг/м3. Коэффициент усушки: радиальной -0,23%, тангенциальной - 0,33 % и объемной -0,58 %. При влажности 12% предел прочности при сжатии вдоль волокон - 460-105Па, статическом изгибе - 86 МПа [24].

Отрицательные свойства древесины липы, такие как низкая прочность и жесткость, небольшой срок службы, невыразительные цвет и текстура -главная помеха для широкого распространения этого материала в столярно-мебельной промышленности.

Чтобы решить данную задачу, были проведены исследования влияния режимов термомеханической обработки древесины липы на улучшение ее физических, механических и эстетических свойств. Конкретной целью данной работы было повышение твердости исследуемых образов и прочности.

Плотность поверхностных слоев образца в процессе прессования значительно увеличивается, в то время как плотность в центральной части изменяется в меньшей степени. Чем выше степень уплотнения, тем больше степень усушки термомеханиче-ски обработанных образцов древесины, при этом нет четкой зависимости влияния температуры и продолжительности самого процесса на данное свойство. Основным положительным результатом исследований стало повышение ударной твердости поверхности образца древесины липы на 60-130 % (около 0,68 Дж/см2 для контрольного образца и около 1,57 Дж/см2 для прессованной древесины). Модуль упругости может быть увеличен на 15-60 %, предел прочности при изгибе на 10-45%.

Материалы и методы

Образцы древесины липы начальной толщиной 25, 29 и 33 мм были высушены в сушильном шкафу до влажности 12%. После чего они были запрессованы при трех различных температурах 160, 180, 200°С в течение 10, 20 и 30 мин до конечной толщины в 20 мм. Таким образом, степень уплотне-

ния для образцов с начальной толщиной 25 мм составила 20%, для 29 мм - 31% и для 33 мм - 39%.

После термомеханической модификации (ТММ) образцов древесины липы были исследованы изменения их свойств: твердости, предела прочности при изгибе, модуля упругости, усушки, средней плотности, плотности сечения.

Определение радиальной, тангенциальной и объемной усушки образцов древесины липы после термомеханической обработки проводили согласно ГОСТ 16483.37-80, плотности образцов древесины липы согласно ГОСТ 16483.1-84, ударной твердости согласно ГОСТ 16483.16-81, предела прочности при изгибе согласно ГОСТ 16483.9-73.

Для определения усушки образцы древесины липы вымачивали в дистиллированной воде при 1=20±5°С. Через каждые 3 суток измеряли соответствующие размеры у образцов. После того как расхождение между результатами двух последних измерений оказалось 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 атах для определения усушки. Затем образцы подсушили в течении 2 суток для исключения растрескивания, далее сушили в сушильном шкафу до постоянных размеров, постепенно поднимая температуру от 23±2 °С до 103±2 °С. Через каждый час измеряли размеры образцов, пока разница между двумя последними измерениями не стала 0,02 мм. По результатам измерений определяли коэффициент усушки каждого образца с точностью 0,1% .

Для определения ударной твердости (Н„у, Дж/см2) на поверхность образца древесины липы 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, свободно падающего с заданной высоты и вычисляли отношение потенциальной энергии шарика к площади полученной проекции. Разделив работу, затраченную на удар, на площадь отпечатка, получили характеристику ударной твердости.

Для определения предела прочности при изгибе (ст„, МПа) образцы древесины липы нагружали с постоянной скоростью. Определив максимальную нагрузку, вычисляли предел прочности.

После обработки степень уплотнения была определена через толщину. Для того чтобы определить деформации на боковых поверхностях образцов были начерчены линии под углом 45° по отношению к направлению прессования.

Результаты и их обсуждение

Одна из главных целей данных исследований - увеличение твердости древесины липы. Значение ударной твердости (Н„у, Дж/см2) для необработанной древесины составляет 0,68 Дж/см2. Данное значение может быть увеличено с помощью термомеханической модификации до 1,13-1,57 Дж/см2. Из табл. 1 можно увидеть четкий положительный эффект обработки с точки зрения изменения твердости. Из

полученных результатов можно сделать вывод, что данный параметр в наибольшей степени зависит от степени уплотнения.

Таблица 1 - Влияние режимов термомеханической обработки на изменение ударной твердости древесины липы, Н,у, Дж/см2

Режимы ТММ Степень уплотнения, %

Температура, °С Время, мин 20 30 40

160 10 1,17 1,28 1,28

20 1,16 1,30 1,36

30 1,19 1,28 1,45

180 10 1,28 1,45 1,57

20 1,28 1,36 1,48

30 1,23 1,45 1,45

200 10 1,13 1,36 1,36

20 1,17 1,22 1,44

30 1,22 1,39 1,28

Средний предел прочности при изгибе (ст„, МПа) контрольного образца составил 79.85 МПа. Эти значения могут быть увеличены в процессе термомеханической обработки до 87-118 МПа. Как показано на рис. 1 значения предела прочности при изгибе обработанной древесины липы тем больше, чем выше температура обработки.

т,°с

1

118

114

104

80

-1-

0 50 100

сг,„ МПа

Рис. 1 - Влияние температуры термомеханической обработки на предел прочности при изгибе древесины липы

Модуль упругости (Е, ГПа) контрольного образца древесины липы составил 8,2 ГПа, в то время как значения обрабатываемого материала изменяются от 9,3 до 13,2 ГПа. Таким образом, проведенные исследования привели к повышению модуля упругости по сравнению с контрольным образцом. Как показано на рис. 2 значения модуля упругости обработанной древесины липы также больше, чем выше температура обработки.

Степень усушки образцов древесины липы после термомеханической обработки была определена в трех направлениях: параллельно волокнам, поперек волокон и параллельно силе прессования (толщина), поперек волокон и перпендикулярно усилию прессования (ширина). Отсутствуют различия для направлений параллельно волокнам и в ши-

рину. Коэффициенты усушки древесины липы в радиальном направлении приведены на рис. 3. т, °с

20 0

16 О

10 3

1 1

13,2

12,4

11,6

8,2

-1-

10

Е.ГПа

Рис. 2 - Влияние температуры термомеханической обработки на модуль упругости древесины липы

Рис. 3 - Влияние температуры термомеханической обработки и степени уплотнения на коэффициент усушки древесины липы в радиальном направлении

Из чего можно сделать вывод, что повышение температуры обработки способствует увеличению коэффициента усушки. Из-за непродолжительного периода времени прессования, термообработка влияет только на поверхностные слои образцов древесины липы, даже при самом высоком значении температуры 200°С.

Следует отметить, что уплотнение не равномерно по всей толщине образца. Изучив деформации прямых линий, которые были нарисованы на боковой поверхности образца до обработки получили сведения относительно распределения уплотнения по всей (половине) толщине (рис. 4). Изгиб прямых линий отражает данные о деформациях материала. Линии были зафиксированы после обработки и проанализированы секционированием их на 20 частей.

а б

Рис. 4 - Уплотнения различных слоев образцов древесины липы: а - 40%, б - 20%

Согласно данным, показанным в таблице 2, видно, что существует положительная корреляция между видом уплотнения, температурой и плотностью.

Таблица 2 - Влияние режимов термомеханической обработки на плотность древесины липы

Плотность древесины липы, кг/м3

Температура ТММ, °С Степень уплотнения, %

20 30 40

160 447 497 560

180 450 503 567

200 460 513 580

Плотность поверхностных слоев существенно возрастает, в то время как плотность в центральной зоне образцов изменится незначительно. Чем выше степень уплотнения, тем больше степень усушки термомеханически обработанных образцов древесины липы, при этом нет четкой зависимости влияния температуры и продолжительности самого процесса на данное свойство.

Выводы

Задачей исследования было улучшение прочностных характеристик древесины липы без применения химических веществ, с целью сделать её подходящей для столярно-мебельных изделий.

Режимы термомеханической модификации были получены применительно к древесине липы: различные температуры (160, 180, 200°С), степени уплотнения (20, 30, 40%), а также продолжительность прессования (15, 30, 45 мин).

По результатам испытаний были проанализированы зависимости изменений значений твердости, предела прочности при изгибе, модуля упругости, усушки, средней плотности, плотности сечения древесины в зависимости от режимных параметров процесса.

Главным положительным результатом стало увеличение показателя твердости древесины липы на 60-130 % (около 0,68 Дж/см2 для контрольного образца и около 1,57 Дж/см2 для прессованной древесины). Модуль упругости может быть увеличен на 15-60 %, предел прочности при изгибе на 10-45%.

Из-за относительно короткого периода времени термомеханической модификации изменения происходят только в поверхностных зонах, даже при самом высоком значении температуры (200°С).

Литература

1. Ахметова, Д.А. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины / Д.А. Ахметова, Р.В. Салимгараева // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №4. - С.31-35.

2. Белякова, Е.А. Исследование процесса термомодифицирования древесины в жидкостях / Е.А. Белякова, Т.А. Бодылевская // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №2. - С.29-32.

3. Белякова, Е.А. Разработка методики классификации термомодифицированной древесины с помощью цвето-

вой гаммы / Е.А. Белякова, Р.Р. Сафин, Т.А. Бодылев-ская // Деревообрабатывающая промышленность. -2013. - №1. - С.30-34.

4. Белякова, Е.А. Термомодифицирование твердых пород древесины в жидкостях [Текст]: Дис. канд. техн. наук. / Е.А. Белякова. - Казань, - 2012. - 138 с.

5. Белякова, Е.А. Технология производства текстуриро-ванного шпона из термомодифицированной древесины / Е.А. Белякова, Т.А. Бодылевская, К.А. Бодылевский // Вест. казан. техн. ун-та. - 2013. - Т. 16 №22. - С.21-23.

6. Пат 2453425 Ш, МПК В27К5/04 Способ термической обработки древесины / Р.Р. Сафин и др.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО "КГТУ". - № 2011101723/13; заявл. 18.01.2011; опубл. 20.06.2012 Бюл. № 17.

7. Пат 2453426 Ш, МПК В27К5/04 Способ морения древесины и устройство для его реализации / Р.Р. Сафин и др.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО "КГТУ".

- № 2010154564/13; заявл. 30.12.2010; опубл. 20.06.2012 Бюл. № 17.

8. Разумов, Е.Ю. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ик-спектрометра / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, П.А. Кайнов // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2010. - №10. - С.100- 103.

9. Разумов, Е. Ю. Математическая модель процесса термомодифицирования древесины труднопропитываемых пород в жидкости / Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова, Р.Р. Сафин // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2011. - №16.

- С.233-239.

10. Разумов, Е.Ю. Математическая модель процессов, протекающих при морении древесины труднопропиты-ваемых пород / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вест. Сарат. гос. техн. ун-та. - 2012. Т 1. - №2с (64). -С.80-86.

11. Сафин, Р.Р. Вакуумно-конвективное термомодифицирование древесины в среде перегретого пара / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, А.Р. Шайхутдинова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2011. - №6. - С.93-99.

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

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

14. Сафин, Р.Р. Исследование термомодифицирования древесины в среде топочных газов / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов // Деревообрабатывающая промышленность. -2012. - №1. - С.15-18.

15. Сафин, Р.Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды / Р.Р. Сафин, И.А. Валеев, Р.Г Сафин. // Вест. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник. - 205. - №2. - С.168-173.

16. Сафин, Р.Р. Разработка новой технологии получения термодревесины / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Е.Ю. Разумов // Вест. казан. техн. ун-та. - 2011. - №1. - С.157-162.

17. Сафин, Р. Р. Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древесины в жидкостях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Р.А. Халитов, Е.И. Байгильдеева // Вест. казан. техн. ун-та. - 2012. Т.15 -№3. - С.131-133.

18. Сафин, Р.Р. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Н.А. Оладышкина // Вест. Моск. гос. ун-та леса -Лесной вестник. - 2010. - №4. - С.95-98.

19. Сафин, Р.Р. Усовершенствование технологии термомодифицирования древесины BIKOS-TMT / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Т.А. Бодылевская // «Вестник КГТУ», Т.15, №13/2012, стр.134-136.

20. Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вест. казан. техн. ун-та. -2011. - №12. - С.241-245.

21. Сафин, Р.Р. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Н.А. Оладышкина// «Вестник КГТУ», №9/2010, стр.542-546.

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

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

24. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. 3-е изд. М.: МГУЛ, 2001 г., 333с.

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

26. Syunyaev, R.Z., Safieva R.Z., Safin R.R., 2000. The influence of the internal structure and dispersity to structural-mechanical_properties of oil systems. Journal of Petroleum Science and Engineering. Т. 26. № 1-4. С. 31-39.

© Е. А. Белякова - канд. техн. наук, доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, elena.aleksandr@mail.ru; А. Ю. Седова - студ. той же кафедры.

© E. A. Belyakova, Docent, Department of "Architecture and design of wood", KNRTU, elena.aleksandr@mail.ru; A. Y. Sedova, Student, Department of "Architecture and design of wood", KNRTU.