Деформирование древесно -стружечных плит при изменении их влагосодержания

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Рассмотрены три случая осмоления: сплошное осмоление зоны контакта частиц, контакт в двух и трех точках.

На рис. 4 представлены эпюры касательных напряжений т для различных расчетных случаев.

Проанализировав полученные результаты расчетов касательных напряжений, можно отметить, что максимальные напряжения 35 МПа возникают при двухконтактном соединении, но незначительно отличаются от напряжений при сплошном осмолении зоны контакта. Следовательно, можно сделать вывод, что при осмолении частиц необходимо добиваться контактного осмоления, что снизит расход связующего, незначительно повлияв на механические свойства ДСтП.

Библиографический список

1. Гамов, В.В. Экспериментально-теоретическое исследование структурно-механического упрочнения древесно-стружечных плит, автореферат дис. / В.В. Гамов. - М., 1968.

2. Жуков, В.П. О предельной прочности древесностружечных плит / В.П. Жуков // Лесной журнал.

- 1976. - № 2. - С. 73-78.

3. Поташев, О.Е. Механика древесных плит / О.Е. По-ташев, Ю.Г. Лапшин. - М.: Лесная пром-сть, 1982.

- 112 с.

4. Поздняков, А.А. Степень нагруженности различно-ориентированных стружек древесно-стружечной плиты / А.А. Поздняков // Лесной журнал.

- 1973. - №3. - С. 58-60.

5. Леонович, А.А. ДСП: Технологии. Новое в исследованиях и разработках древесно-стружечных плит / А.А. Леонович // Мебельщик. - 1999. - № 2.

6. Зенкевич, О. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. / О. Зенкевич, К. Морган. - М.: Мир, 1986.

ДЕФОРМИРОВАНИЕ ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ

при изменении их влагосодержания

Д.В. ТУЛУЗАКОВ, доц. каф. сопротивления материалов МГУЛ, канд. техн. наук, Б.Л. СПИРИН, ст. преподаватель каф. сопротивления материалов МГУЛ

Определение экспериментальных зависимостей деформирования древесно-стружечных плит от изменения влагосодержания и температуры - это частная задача, которая входит в реологические уравнения для описания деформационного поведения древесностружечных плит. Определение самих реологических соотношений позволит в первую очередь определять нагрузку на ДСтП со стороны плит пресса, а также рассчитывать распределение плотности по толщине материала. Повышенная плотность в поверхностных слоях приводит к росту показателей прочности при изгибе, что хорошо для мебельных полок. Повышенная плотность в середине плиты увеличит способность держать крепежные элементы, что очень важно для стоек мебельных гарнитуров.

В первую очередь была проведена оценка коэффициента линейного расширения ДСтП. По литературным источникам известно [1], что расширение древесины при нагревании имеет малую величину и зависит

caf-sopromat@mgul.ac.ru

от направлений по отношению к волокнам - наименьшее вдоль волокон и наибольшее поперек волокон в тангенциальном направлении. Максимальные значения коэффициента линейного расширения для сухой древесины не превышают 64 х 10-6 град-1. Если принять толщину материала 20 мм, то при нагреве на 100 °С максимальная расчетная деформация от теплового расширения материала не превысит 0,1 мм.

Однако в реальных технологических процессах при нагревании древесных материалов помимо теплового расширения одновременно имеет место существенная влажностная деформация. При уменьшении влажности на несколько процентов происходит значительно большая усушка, чем рост толщины материала при нагреве на несколько десятков градусов. Учитывая невысокий порядок коэффициента линейного расширения ДСтП, температурными деформациями древесно-стружечной плиты в дальнейших расчетах мы пренебрегали.

136

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ДЕРЕВООБРАБОТКА

С целью определения экспериментальных зависимостей деформирования ДСтП от изменения влагосодержания материала были проведены отдельные испытания, для чего на лабораторном прессе были изготовлены опытные плиты. Затем из этих плит были выпилены образцы для одновременного определения плотности, влажности, разбухания и усушке по толщине плиты.

Первые опытные плиты были изготовлены из сосновых стружек. Варьировались следующие факторы:

- расход связующего q (в % от массы абсолютно сухой стружки) - 6 %; 9 %; 12 % и 15 %;

- плотность плит р (в кг/м3) - 450 кг/м3; 600 кг/м3; 900 кг/м3 и 1050 кг/м3

- фракция древесных стружек Фр -2/1; 5/7 и 10/7.

На первом этапе экспериментов все образцы были помещены в сушильный шкаф и высушены до нулевого влагосодержания. Контроль влагосодержания осуществлялся весовым методом.

Для создания воздушной среды с постоянным содержанием влаги в воздухе были подготовлены эксикаторы с водным раствором серной кислоты под решеткой эксикатора. Эксикаторы разместили в комнате с постоянной температурой помещения 20 ± 2 °С.

Процентное содержание серной кислоты в различных эксикаторах было разным для того, чтобы влажность воздуха, и, естественно, равновесное влагосодержание образцов можно было изменять.

Образцы поэтапно перекладывались из первого эксикатора с невысоким значением влажности воздуха в следующий эксикатор с большей величиной влажности воздуха, вплоть до последнего эксикатора, в котором была налита дистиллированная вода без серной кислоты.

Образцы в каждом эксикаторе выдерживались в течение нескольких недель до достижения ими состояния равновесного влагосодержания. Контроль производился весовым методом до момента, когда масса образца, находящегося в эксикаторе, переставала увеличиваться. После этого производилось окончательное взвешивание и измерение толщины образцов для расчета разбухания плит.

Рис. 1. Разбухание и усушка образцов древесно-стружечных плит в процессе экспериментов

На заключительном этапе все образцы вновь были помещены в сушильный шкаф и высушены до нулевого влагосодержания с фиксацией толщины плиты в сухом состоянии.

Ниже представлены результаты испытаний по определению величины усушки и разбухания древесно-стружечных плит из сосновой стружки от изменения влагосодержания этого материала.

На рис. 1 изображена динамика роста деформаций ДСтП при увеличении влаги в материале и последующее уменьшение толщины плиты при сушке ее до нулевого значения влажности. Данные проведенных экспериментов показывают, что с ростом влагосодержания ДСтП от нулевого значения до 0,14-0,16 разбухание материала происходит по линейному закону. С дальнейшим увеличением содержания влаги в плите происходит отклонение от прямолинейной зависимости. В проведенных экспериментах максимальное значение влагосодержания ДСтП не превышало 0,25 (при выдерживании в эксикаторе с дистиллированной водой без серной кислоты). Необходимо отметить, что отклонение показателя разбухания материала от линейной зависимости при превышении влагосодержания значения 0,14 отмечалось и ранее другими исследователями [2, 3].

Заключительные измерения толщины плиты в сухом состоянии показали, что толщина плиты при прохождении полного цикла увлажнения и последующей усушки увеличилась на 2-3 %. Цельная древесина ведет

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

137

ДЕРЕВООБРАБОТКА

себя подобным образом, обладая свойством гистерезиса сорбции [4].

При анализе первой серии экспериментов было установлено, что размеры древесных частиц (их фракционный состав) не влияют на показатели разбухания и усушки - определяющим является величина плотности опытных образцов. Разбухание образцов из стружек фракций 10/7, 7/5 и 2/1 статистически достоверно не отличалось между собой. Поэтому в последующих экспериментах фракционный состав стружек был исключен из числа варьируемых факторов.

Поскольку основная цель экспериментов состояла в определении значений разбухания и усушки при описании деформационного поведения древесно-стружечных плит в процессе их производства, а, как известно, влагосодержание ДСтП при горячем прессовании и последующем кондиционировании не превышает значений 0,10-0,12 [5]; мы провели отдельную серию опытов, в которой часть образцов, достигших влагосодержания 0,12, были также помещены в сушильный шкаф и высушены до нулевого влагосодержания. В этом случае толщины плит в сухом состоянии не отличалась от их первоначального значения до набора влаги в эксикаторах.

После обработки результатов испытаний по определению величины усушки и разбухания древесно-стружечных плит из сосновой стружки методом наименьших квадратов была получена следующая зависимость s = [0,170826 + 0,408695-10'3-р --[5,105271 • 10-3 + 8,458^10"6^p]q]U, (1) где s - относительная влажностная деформация ДСтП, [1];

U - влагосодержание ДСтП, [1]. q - расход связующего [ (в % от массы абсолютно сухой стружки)]; р - плотность ДСтП [кг/м3].

В представленной формуле влагосодержание древесно-стружечной плиты (U) и относительная влажностная деформация ДСтП (s) - величины безразмерные (их значения измеряются в долях от единицы). При подстановке в формулу влагосодержания ДСтП (U), измеряемое в процентном отношении, мы получим значение разбухания плит (s) также выраженное в процентах.

Рис. 2. Зависимость разбухания ДСтП от плотности плит

Расход связующего. Плотность 600 кг/м3

Рис 3. Зависимость разбухания ДСтП от расхода связующего

Учитывая допущение о линейности разбухания и усушки древесно-стружечных плит до значений влагосодержания материала 0,12-0,14; предполагая также, что общий вид зависимости будет аналогичным представленной формуле (1), количество экспериментальных запрессовок из березовых и осиновых частиц было уменьшено.

По результатам обработки экспериментов с плитами из других пород древесины зависимость усушки и разбухания ДСтП имеет вид:

- для плит из березовой стружки: s = [0,19837 + 0,7065-10"3-р -

- [7,853340-3 + 3,586-10"6-p]q]-U,

- для плит из осиновой стружки: s = [0,1183043 + 0,434782-10"3-р -

- [3,394-10-3 + 10,87-10"6-p]q]-U,

138

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009