Термомодифицирование измельченной древесины в процессе производства древесно-наполненых композитов

Е. Ю. Разумов

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЕ ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ В ПРОЦЕССЕ

ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНО-НАПОЛНЕНЫХ КОМПОЗИТОВ

Ключевые слова: термомодифицирование, древесина, композит, модификация, гигроскопичность, пористость, структура.

Представлены результаты исследований целесообразности использования процесса термомодифицирования древесных частиц при производстве древесно-наполненных композитов. Установлено, что термическая обработка в интервале температур 160 - 200 С способствует существенному снижению равновесной влажности, давления набухания и содержания «цементных ядов».

The keywords: termomodification, wood, composition, modification, hygroscopic, porosity,

structure.

The presented results of the studies to practicability of the use the process термомодифицирования wood particles at production wood-pervaded composition. It Is Installed that termal processing in interval of the temperature 160 - 200 degrees promotes essential reduction to moisture, pressure of the increase and contentses "cement poison".

На лесоперерабатывающих и деревообрабатывающих предприятиях лесного комплекса в процессе работы образуется большое количество отходов. В то же время одним из наиболее перспективных и популярных материалов для строительства в Европе и США являются древесно-наполненные композиты, в частности опилкобетон, арболит и цементно-стружечные плиты. Многолетняя эксплуатация зданий из этих и подобных им материалов позволяет судить о достаточно хороших эксплуатационных характеристиках, высоких экологических и энергосберегающих свойствах. Однако древесный заполнитель, использующийся в этих материалах, наряду с присущими ему ценными свойствами (малая средняя плотность, хорошая смачиваемость, легкость обработки и др.) имеет и отрицательные качества, которые затрудняют получение материала высокой прочности:

- повышенная химическая агрессивность, наличие «цементных ядов»;

- значительные объемно-влажностные деформации и развитие давления набухания;

- резко выраженная анизотропия;

- высокая проницаемость;

- низкая адгезия по отношению к цементному камню;

- значительная упругость при уплотнении смеси.

При этом традиционные методы модификации древесины (механические, химические) практически исчерпали свои возможности. Поэтому в последние годы как в России, так и зарубежом ведутся исследования по созданию и разработке новых технологий, основанных преимущественно на физических воздействиях на древесное сырье, которые позволили бы модифицировать древесные частицы с целью повышения качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции. Одними из таких возможных способов повышения качества и устойчивости к различным воздействиям высокомолекулярных волокни-

стых материалов являются применение плазмы [1, 2] и высокотемпературной тепловой обработки без доступа кислорода воздуха [3]. При этом известно, что, устанавливая необходимые параметры режима термическая обработка древесины, можно получить требуемый материал с целевой областью применения. Термическая обработка приводит к существенным изменениям в структуре древесины: по мере нагрева из ее состава удаляются смолы, воски, жиры, фенолы, элементы гемицеллюлозы и глюкозы. В результате древесина становится устойчивой к гниению, не подвержена воздействию плесени, поражению различными микроорганизмами и грибком, повышается биологическая стойкость материала. Термическая обработка позволяет придать древесине уникальные влагоотталкивающие и эксплуатационные свойства, высокую формоустойчивость и стабильность геометрических размеров, при этом улучшается устойчивость древесины к сжатию и снижается уровень внутренних напряжений в материале.

В связи с этим, на кафедре архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ были проведены исследования по целесообразности использования термического модифицирования древесного наполнителя в процессе производства композиционных материалов. Для проведения опытов в качестве основного материала была взята измельченная древесина осины, размеры которой составили в среднем 2 х 6 х 1 мм. Термомодифицирование древесной стружки проводилось при различных температурах в диапазоне от 100 до 200°С с шагом в 20° в течении 1, 2, 3 и 4 часов. После проведения термического модифицирования одна часть полученной стружки подверглась дальнейшему исследованию (определению равновесной влажности, давления набухания и изменения количества редуцирующих веществ в древесине), другая - направлялась для создания арболита с последующим исследованием его прочностных характеристик.

Определение равновесной влажности термически обработанной древесной стружки осуществлялось путем выдержки в эксикаторе с относительной влажностью среды равной 100 %. Исследования по определению равновесной влажности измельченной древесины в зависимости от температуры обработки показали, что в диапазоне температур агента до 120°С изменения данного физического параметра носят не существенный характер (рис. 1 и 2). Заметное снижение равновесной влажности происходит при достижении температуры агента обработки 160°С.

пт_ кг 1,4 т ' кг

1,3 1,2 1,1

1

0,9

0 5 10 15 20 25 30

Рис. 1 - Кинетика относительной массы измельченной древесины в процессе выдержки в насыщенном паре

Результаты исследований изменения одного из основных недостатков древесного

заполнителя - развития давления набухания в зависимости от температуры обработки представлены на рис. 3. Анализ данных показывает существенное снижение значения давления набухания древесных частиц при увеличении температуры обработки до 160°С и выше. Таким образом, в качестве нижней границы температуры термомодифицирования древесных частиц в процессе производства древесно-наполненных композитов следует принять 160°С и повышать температуру обработки в зависимости от условий эксплуатации композиционного материала.

и, %

- \

\ ч

80 100 120 140 160 180 200 220 Т, °С

Рис. 2 - Равновесная влажность измельченной древесины в зависимости от температуры обработки

Рнаб, кПа

90 80 70 60 50 40

_____________________________80 100 120 140 160 180 Т, °С____________________________

Рис. 3 - Давление набухания древесины в зависимости от температуры обработки

Как было сказано ранее, определяющим недостатком древесины по отношению к цементному камню является «цементные яды». В связи с этим при производстве композиционных материалов, в частности арболита, должны использоваться специальные добавки, нейтрализующие благоприятно влияющие на древесину. Количество данных добавок должно соответствовать содержанию водорастворимых веществ в древесине. Таким образом, в лабораторных условиях были проведены опыты по определению содержания водорастворимых редуцирующих веществ в древесном заполнителе в зависимости от вида обработки: необработанная камерно-сухая древесина, термомодифицированная древесина и

древесина, обработанная ВЧ-плазмой.

Метод определения водорастворимых редуцирующих веществ основан на восстановлении сахарами основной соли двухвалентной меди до ее закиси. Содержание сахара определяют по количеству перманганата калия, прошедшего на титрование двухвалентного железа, образовавшегося в результате реакции трехвалентного железа с закисью меди.

Порядок проведения анализа заключается в следующем. Вначале производят подготовку водной вытяжки, для этого дробленку измельчают до размеров опилок (0,2 -2 мм), хорошо перемешивают, подсушивают до воздушно-сухого состояния и хранят в плотно закрытой склянке. Перед анализом определяют влажность пробы и все расчеты в дальнейшем ведут на сухую навеску (высушенную при 85°С). Для приготовления вытяжки берут 2 г пробы (дробленки), взвешивают ее с точностью 0,0002 г, помещают в коническую колбу емкостью 250 мм и приливают 10 мл дистиллированной воды. Колбу закрывают пробкой и ставят в термостат при 25 °С. Экстрагирование проводят в течение 48 ч, периодически перемешивая содержимое колбы. Затем вытяжку отфильтровывают. В коническую колбу емкостью 150 мм вливают 20 мл раствора сульфата меди и 20 мл щелочного раствора сегне-товой соли. Перемешивают и добавляют в нее 20 мл водной вытяжки из дробленки, снова перемешивают и нагревают до кипения. С момента появления первого пузырька раствор кипятят 3 мин (по песочным часам) и фильтруют в колбу Буназена через воронку Шотта с фильтром № 2, на который предварительно помещают небольшое количество асбеста. Осадок на асбесте промывают 100 - 150 мл горячей воды. Затем фильтр с осадком, покрытым водой, переставляют на чистую колбу Буназена. Осадок обрабатывают 20 мл раствора железоаммонийных квасцов. После растворения осадка подключают водоструйный насос и асбест промывают холодной водой до нейтральной реакции промывных вод. Фильтрат титруют 0,1 раствором перманганата калия до появления устойчивой розовой окраски. Различным объемам перманганата калия, идущего на титрование, соответствует определенное количество сахаров.

После проведения данного исследования получены следующие результаты. Содержание водорастворимых редуцирующих веществ составляет:

• в необработанной древесине - 43 мг;

• древесины, обработанной ВЧ-плазмой - 32,4 мг;

• в термомодифицированной древесине - 25,7мг.

Таким образом, следует отметить практически двукратное снижение содержания водорастворимых редуцирующих веществ в термомодифицированной древесине по сравнению с необработанной и заметное уменьшение по сравнению древесиной, обработанной ВЧ-плазмой. Вследствие уменьшения редуцирующих веществ повышаются адгезионные свойства древесины с цементным камнем, что, в свою очередь, способствует нарастанию прочности композиционного материала.

Наиболее широкое применение как стеновой материал для наружных стен и внутренних перегородок среди древесно-наполненных композитов на цементном вяжущем нашел арболит. Известно, что в зависимости от назначения предъявляются различные требования по несущей способности, прочности и теплопроводности, поэтому при изготовлении арболитовой смеси подбирается различный состав: с небольшим содержанием цемента в смеси, а следовательно, и более дешевые изделия используют для перегородок и других малонагруженных конструкций, для наружных стен зданий и несущих внутренних капитальных стен требуются изделия более прочные, поэтому в смесь вводится большое количество цемента и соответственно меньше стружки. В связи с этим интерес представляет поиск наиболее оптимальных методов и глубины предварительной обработки древесного

заполнителя в зависимости от требуемых эксплуатационных параметров. В результате проведенных исследований по определению предела прочности на сжатие арболита, полученного из термически обработанных древесных частиц и прошедшего многократное увлажнение и сушку с количеством циклов равное 10, получена графическая зависимость, представленная на рис. 4. Из графика следует вывод, что предварительное термомодифицирование древесных частиц в процессе изготовления арболита позволяет значительно увеличить прочностные характеристики данного материала и, как следствие, расширить области его возможного использования.

Р, кПа 110 -1

юо---------

эо---------

во---------

70---------

60---------

50---------

40---------

50 100 190 200 Т, °С

Рис. 4 - Предел прочности на сжатие образцов арболита, изготовленных из предварительно термомодифицированных древесных частиц, в зависимости от температуры обработки

Таким образом, исследования по термическому модифицированию древесного наполнителя при производстве композиционных материалов показали целесообразность введения в технологический процесс данной операции, поскольку установлено, что термическая обработка в интервале температур 160 - 200°С способствует существенному снижению равновесной влажности, давления набухания и содержания «цементных ядов» в древесине, а также приводит к увеличению прочности арболита, полученного из термически обработанных древесных частиц и подвергнутого многократному увлажнению и сушке. В связи с этим, необходимо продолжить соответствующие исследования с целью более глубокого изучения влияния термической обработки на готовые изделия и определения рациональных экономически эффективных технологических режимов.

Литература

1. Вознесенский, Э. Ф. Общие принципы модификации натуральных волокнистых материалов различного происхождения в плазме ВЧ-разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенский [и др.] // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2009. - № 5. - С. 304-308.

2. Аминов, И.Х. Модификация древесных опилок высокочастотным разрядом пониженного давления для создания древесно-композиционных материалов / И.Х. Аминов [и др.] // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2002. - № 1-2. - С. 63-68.

3. Разумов, Е.Ю. Исследование вакуумно-кондуктивного процесса модифицирующей термообработки древесины / Е.Ю. Разумов [и др.] // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009. - № 3. - С. 9-11.

© Е. Ю. Разумов - канд. техн. наук, доц. каф. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ, cfaby@mail.ru.