Экспериментальное исследование показателей эффекта памяти древесины

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

6. Уголев, Б.Н. Параметры эффекта памяти древесины / Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, С.Ю. Белковский // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 358 Технология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2012. - С. 9-13.

7. Уголев, Б.Н. Некоторые результаты экспериментального исследования термомеханических деформаций древесины / Б.Н. Уголев, Н.В. Скуратов, Г.А. Горбачева // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 312 Технология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2000, - С.15-18.

8. Скуратов, Н.В. Анализ методов контроля качества сушки пиломатериалов/ Н.В. Скуратов, А.В. Про-

тасова // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 3.

- 2012. - С. 96-99.

9. Lendlein A., Kelch S. Shape-Memory Polymers. Reviews. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2034

- 2057.

10. Ugolev B.N. Academy lecture «Wood as natural smart material», http://www.iaws-web.org/files/file/2009-SaintPetersburg_academy_lecture_ugolev.pdf

11. Ugolev B.N., Skuratov N.V, Gorbacheva G.A. The Influence of Deformation Prehistory upon the “Memory Effect”of Wood Proc. of 4th IUFRO Symposium «Wood Structure and Properties '02». Eds. J. Kudela, S, Kurjatko. Zvolen, Slovakia, 2002, - р. 145-149.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ДРЕВЕСИНЫ

Б.Н. УГОЛЕВ, проф. каф. древесиноведения ФГБОУВПО МГУЛ, д-р техн. наук Г.А. ГОРБАЧЕВА, доц. каф. древесиноведения ФГБОУ ВПО МГУЛ, канд. техн. наук С.Ю. БЕЛКОВСКИЙ, асп. каф. древесиноведения ФГБОУ ВПО МГУЛ

ugolev@mgul.ac.ru, gorbacheva@mgul.ac.ru, belkovskiy@ro.ru

Доминантным признаком умных материалов является «эффект памяти формы». Этот эффект заключается в том, что упомянутые материалы после принудительного изменения формы способны восстанавливать первоначальную форму в результате возвращения исходного физического состояния. Этот эффект наблюдается в сплавах металлов, керамике. В последнее десятилетие проводятся масштабные исследования эффекта памяти в полимерах [2, 3, 9-12]. Комплексный биополимер - древесина - является природным умным материалом, поскольку она обладает этим доминантным признаком. Эффект памяти древесины на деформационные превращения был экспериментально обнаружен в конце 70-х годов [8, 14]. Дальнейшие исследования различных аспектов этого явления имели, в основном, феноменологический, качественный характер. Обзор полученных результатов был приведен в Академической лекции [13] и последующих работах МГУЛ [5, 16].

Материалы и методика исследований

Для количественной оценки этого доминантного признака древесины как природного умного материала можно использовать показатели, применяемые для полимеров с эффектом памяти формы [11]:

- Rr - доля обратимых деформаций, которая показывает способность материала запоминать постоянную форму и является мерой восстановления деформации, полученной в результате механического воздействия (programming) .

- Rf - доля фиксированных (сет) деформаций, которая отражает способность фиксировать механическую деформацию и тем самым запоминать временную форму.

Доля обратимых деформаций Rr отражает степень восстановления исходной формы образца

R =

где Bm - максимальная деформация, получе-ная в результате механического воздействия;

Bp - необратимая пластическая деформация.

Доля фиксированных (сет) деформаций Rf определяется как отношение деформации, остающейся после снятия напряжений, к величине максимальной деформации

R, = в /в ,

где ви - деформация после снятия нагрузки.

В зависимости от назначения полимера регулируют диапазон изменения показателей Rr и Rf [12].

66

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица

Характеристика образцов

Порода Вид шпона Размеры образцов, мм

Бук (Fagus L. ) Строганый 250x15x0,6

Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) Строганый 250x15x0,6

Обече (Triplochiton scleroxylon K. Schum.) Файн-лайн 250x15x0,6

Береза (Betula L.) Лущеный 250x15x1,5

В основе эффекта памяти древесины лежат замороженные деформации. В древесине они были обнаружены экспериментально в начале 60-х годов прошлого века при сушке закрепленного образца [4]. Замороженные деформации образуются в результате временной перестройки наноструктуры древесины под управляющим воздействием нагрузки при увеличении жесткости древесины в процессах сушки или охлаждения. Замороженная деформация исчезает при увлажнении или нагревании.

На основе закона деформирования нагружаемой древесины при изменении температуры и влажности, предложенного Б.Н. Уголевым и Ю.Г. Лапшиным [8, 15], позднее была разработана модель гигро-термомеха-нических деформаций [5, 13], учитывающая образование квази-необратимых замороженных деформаций г. Модель позволяет, имея в виду температурно-влажностную аналогию, объяснить поведение древесины при различных проявлениях эффекта памяти древесины [1, 5, 13]. Кроме того, сложные деформационные превращения происходят в древесине при стесненной усушке древесины, когда она нагружается поперек волокон [16].

Используя положения модели гигро(термо)-механических деформаций древесины, можно получить выражения для расчета показателей эффекта памяти формы при изменении температуры или влажности нагруженной древесины [7]. Величина доли обратимых деформаций R пределяется следующим образом:

R =

где г - величина общей гигро(термо)-меха-нической деформации; гр - остаточные пластические деформации г = г = г .

r c р

Доля фиксированных (сет) деформаций R. вычисляется по формуле

R, = г /г =

f s evp к f p evp7 v y

где гs - величина сет-деформаций.

Замороженные деформации являются носителями эффекта памяти древесины.

Величина замороженной деформации определяется через показатели эффекта памяти следующим образом:

г/ = геvp

Взаимосвязь показателей эффекта памяти формы для полимеров и для древесины представлена на рис. 1. На участке 0-1 происходит медленное нагружение при 0 при этом возникают все три вида деформаций, далее (1-1) происходит охлаждение до 02 при о = const, затем разгрузка (1-2) при 02 и последующее нагревание (2-3) при о = 0 до начальной температуры 0Г

Поскольку древесина представляет собой сложный, неоднородный, изменчивый, анизотропный материал, способный усыхать и разбухать, был разработан учитывающий

Рис. 1. Показатели эффекта памяти формы полимеров, характеризующие деформационные превращения древесины

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

67

Рис. 2. Доля обратимых деформаций R ‘ при изменении температуры в направлениях вдоль

специфику метод визуализации и количественной оценки с использованием достаточно малых образцов [6]. Предложенный метод позволяет выделить главные факторы, элиминируя влияние вышеперечисленных факторов, и определить все возможные характеристики на одном образце. Это снижает необходимое число опытов и облегчает анализ полученных данных. Характеристика образцов представлена в таблице. Диапазон изменения температуры - 0-100 еС, влажности - 0-150 %.

Результаты экспериментального определения доли обратимых деформаций Rr при изменении температуры в направлениях вдоль и поперек волокон представлены на рис. 2, где даны диапазоны изменения показателей. Для образцов строганого шпона из сосны и бука в направлении вдоль волокон показатели R \ отражающие способность древесины восстанавливать исходную форму при изменении температуры, имеют довольно высокие значения (0,92-0,97). В направлении поперек волокон значения этого показателя ниже из-за меньшей жесткости, а также наличия имевшихся до начала опыта сушильных трещин. Максимальные значения показателя R* в направлениях вдоль и поперек волокон отмечены для образцов строганого шпона из древесины бука, 0,97 и 0,78 соответственно. Древесина бука содержит больше гемицеллюлоз, которые в силу их аморфной природы являются более чувствительными к температурно-влажностным воздействиям. В композиционном (файн-лайн) шпоне способность запоминать исходную (постоянную) форму

проявляется в меньшей мере. Низкие значения показателей R* файн-лайн шпона обусловлены многостадийной предшествующей технологической обработкой, наличием клеевых соединений.

При изменении влажности величина показателя Rw в направлении вдоль волокон (рис. 3 а) для всех видов шпона имеет также высокие значения (0,79-0,95), максимальное значение выявлено для образцов строганого шпона из древесины бука.

В направлении поперек волокон (рис. 3б) значения показателя R w для образцов строганого шпона из древесины бука меньше, чем для древесины сосны (0,26 и 0,39 соответственно). Это обусловлено влиянием широких сердцевинных лучей бука, при сушке разрыв тканей происходит вдоль сердцевинных лучей из-за слабой связи между ними и древесными волокнами. Показатель Rrw в направлении поперек волокон для образцов лущеного шпона из древесины березы и файн-лайн шпона из древесины обече имеет близкие значения (0,73 и 0,72 соответственно).

Величина показателя R, отражающего способность образцов фиксировать временную форму при изменении температуры в направлении вдоль и поперек волокон, показана на рис.

4. В направлении вдоль волокон показатель Rf имеет наибольшее значение для образцов файн-лайн шпона из древесины обече (0,81). В направлении поперек волокон отмечены близкие значения показателей Rf для всех пород и видов шпона (0,70-0,78), максимальная величина выявлена для древесины бука.

68

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

Рис. 3. Доля обратимых деформаций R w при изменении влажности в направлениях вдоль

Рис. 4. Доля фиксированных деформаций Rf при изменении температуры в направлениях вдоль (а) и поперек (б) волокон

Рис. 5. Доля фиксированных деформаций Rwf при изменении влажности в направлениях вдоль (а) и поперек (б) волокон

Результаты определения показателя Rwf при изменении влажности представлены на рис. 5. Величина показателя Rwf в направлении вдоль волокон для всех пород и видов шпона имеет высокие значения (0,92-0,94). В направлении поперек волокон величина данного показателя несколько меньше (0,83-0,89) и практически не зависит от породы древеси-

ны и вида шпона. В этом случае имеет место замороженная усушка древесины, что осложняет анализ полученных результатов.

Таким образом, проведенные исследования показывают целесообразность применения общепринятой для полимеров системы показателей для количественной характеристики эффекта памяти формы древесины. Осо-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2014

69

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

бенности технологии изготовления шпона, древесная порода оказывают влияние на показатели эффекта памяти древесины. Сложность строения, химического состава, анизотропия, природная вариативность свойств древесины доставляют определенные трудности в объективной оценке эффекта памяти древесины различных пород. Предложенный метод позволяет количественно оценить способность древесины восстанавливать постоянную форму и фиксировать временную форму образца.

Библиографический список

1. Горбачева, Г.А. Деформационные превращения древесины при изменении нагрузки, влажности и температуры: дисс. ... канд. техн. наук / Г.А. Горбачева. - М.: МГУЛ. -2004. - 198 с.

2. Каюмов, Р.А. Прогнозирование деформации во времени полимерных материалов с памятью формы при различной температуре / Р.А. Каюмов, Д.Е. Страхов // Известия КазГАСУ - 2011. -№ 2 (16).

- С. 196-199.

3. Полимер с памятью в четыре формы http:// www. nature .com/nature/joumal/v464/n7286/full/ nature08863.html

4. Уголев, Б.Н. Метод исследования реологических свойств древесины при переменной влажности / Б.Н. Уголев. - М.: Заводская лаборатория, 1961.

- 27(2). - С. 199-203.

5. Уголев, Б.Н. Наноструктурные изменения древесины как природного «умного» материала. Нанотехнологии и наноматериалы в лесном комплексе: монография / Б.Н. Уголев. - М.: МГУЛ, 2011. -С. 52-73.

6. Уголев, Б.Н. Визуализация эффекта памяти древесины в шпоне / Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, С.Ю. Белковский // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 353 Тех-

нология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2011. - С. 226-232.

7. Уголев, Б.Н. Параметры эффекта памяти древесины / Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, С.Ю. Белковский // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 358 Технология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2012. - С. 9-13.

8. Уголев, Б.Н. Контроль напряжений при сушке древесины / Б.Н. Уголев, Ю.Г. Лапшин, Е.В. Кротов.

- М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 208 с.

9. Скуратов, Н.В. Анализ методов контроля качества сушки пиломатериалов/ Н.В. Скуратов, А.В. Протасова // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 3.

- 2012. - С. 96-99.

10. Hiltz J. A.. Shape Memory Polymers. Literature Review. Technical Memorandum DRDC Atlantic TM 2002-127 August 2002.

11. Lendlein A., Kelch S. Shape-Memory Polymers. Reviews. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2034

- 2057.

12. Schuh C., Schuh K., Lechmann M. C., L. Garnier, Kraft А. Shape-Memory Properties of Segmented Polymers Containing Aramid Hard Segments and Polycaprolactone Soft Segments. Polymers 2010, 2, 71-85; doi:10.3390/polym2020071

13. Ugolev B.N. Academy lecture «Wood as natural smart material», http://www.iaws-web.org/files/file/2009-SaintPetersburg_academy_lecture_ugolev.pdf

14. Ugolev B.N. Effect of «freezing» wood deformations at complex force and heat actions. Proc. of 2nd Int. Symposium on wood rheology, Rydzina, Poland, 1986 - p. 5 - 14.

15. Ugolev B.N. General laws of wood deformation and rheological properties of hardwood//Wood Science and Technology. - 1976. - vol. 10(3). - P. 169-181.

16. Ugolev B.N., Galkin V.P., Gorbacheva G.A., Kalinina A.A. Frozen shrinkage of wood. Proc. IUFRO -TUZVO «Wood Structure and Properties’10», Zvolen, Slovakia, 2010. - р. 73-77.

ОСТАТОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ В ДРЕВЕСИНЕ

Е.М. ТЮЛЕНЕВА, доц. каф. технологии и оборудования лесозаготовок СибГТУ, канд.техн.наук

evgeniamixail@mail.ru

Изучение и накопление знаний о реологических показателях имеет важное значение для проектной оценки эксплуатационных характеристик деревянных конструкционных элементов, прессовании и размоле древесины, целлюлозно-бумажной промышленности для дальнейшего развития теории резания с целью более рационального использования древесины.

Задачей наших исследований является уточнение реологической модели и нахождение реологических коэффициентов древесины при сжатии ее поперек волокон в радиальном направлении. С этой целью на определенном этапе исследований в качестве экспериментальной модели рассматривалось тело Бюргерса (рис. 1), что подразумевало присутствие в древесине упругой, эластической и вязкой деформаций.

70

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014