Качество сушки твердых лиственных пород после химической обработки

КАЧЕСТВО СУШКИ ТВЕРДЫХ ЛИСТВЕННЫХ ПОРОД ПОСЛЕ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

А.Д. ПЛАТОНОВ, доц. каф. древесиноведения ВГЛТА, канд. техн. наук, Т.К. КУРЬЯНОВА, доц. каф. древесиноведения ВГЛТА, канд. техн. наук

Состояние материала в процессе сушки характеризуется возникновением во влажном теле трех взаимосвязанных полей: влажности, температуры и напряжений.

Как материал растительного происхождения, древесина обладает одновременно упругостью и пластичностью. Упругие свойства проявляются больше в сухой, а пластические - во влажной и особенно нагретой древесине. Во время сушки эти свойства проявляются в поперечном направлении, т. е. по ширине доски.

Если бы древесина была абсолютно упругим телом с характеристиками, не зави-сящами от влажности и температуры, после выравнивания влажности и охлаждения внутренние напряжения в ней должны были бы исчезать. Однако древесина не обладает идеальной упругостью, в ней (особенно при длительном воздействии нагрузок) развиваются остаточные деформации, которые сохраняются и после устранения вызвавших их усилий [3].

Кроме того, происходит процесс перерождения упругих деформаций в остаточные вследствие изменения жесткости древесины при снижении ее влажности.

Исследование механизма образования и закономерностей развития внутренних напряжений необходимо для построения оптимальных режимов и правильного ведения процесса сушки, а также для характеристики качества высушенной древесины.

Объекты и методы исследований

Качество сушки наряду с конечной влажностью и перепадом влажности по сечению материала характеризуется и величиной остаточных напряжений, определение которых и является целью данных исследований.

Определение величины внутренних напряжений было проведено после конвективной сушки древесины с предварительной химической обработкой и без химической

обработки. Часть заготовок была обработана раствором хлорида натрия в течение 3 часов. Затем торцы заготовок были покрыты двойным слоем лака, что позволило устранить испарение влаги вдоль волокон. После этого обе партии были высушены в конвективной сушильной камере.

Необработанные заготовки были высушены по принятой технологии: начальный прогрев, сушка, промежуточная и конечная влаготеплообработка. Заготовки, обработанные хлоридом натрия, были высушены по упрощенной технологии без начального прогрева, промежуточной и конечной влаготеп-лообработки.

По мере убыли влаги, через каждые 7-10 %, из обеих партий вынимался один контрольный образец и исследовался на перепад влажности по сечению и наличие внутренних напряжений.

Метод количественной оценки остаточных напряжений и построения их эпюр, основанный на измерении упругих деформаций отдельных элементов образца (после его раскроя на тонкие слои) и непосредственном определении модуля упругости древесины этих элементов, был разработан Б. Н. Уголе-вым и стандартизован ГОСТ 11603-73 «Метод определения остаточных напряжений».

Результаты исследований

Действующие в древесине так называемые полные внутренние напряжения апол, можно рассматривать как алгебраическую сумму противоположных по знаку влажност-ных авл и остаточных аост, равных по величине. Влажностные напряжения, характерные для абсолютно упругого тела, обусловлены неравномерной усушкой древесины по объему. Они имеют временный характер и исчезают при выравнивании влажности. Остаточные напряжения обусловлены наличием в древесине неоднородных остаточных деформаций.

£ о о к

рр

щ

2 3

Время сушки т

Рис. 1. График изменения влажности древесины в процессе конвективной сушки без предварительной химической обработки

Оост

О

й

Ч

Овл

0 1

2 3

Время сушки т

Рис. 3. График изменения влажностных, остаточных и полных напряжений в процессе конвективной сушки древесины без предварительной химической обработкой

л &

о

X

8

И

К

<и «

О С ей

д

лWг

V—

W^7 О

1 2 3 а

Время сушки т

Рис. 2. График изменения влажности

древесины в процессе конвективной сушки после химической обработки

а 4

Рис. 4. График изменения влажностных,

остаточных и полных напряжений в процессе конвективной сушки древесины с предварительной химической обработкой

Влажностные напряжения, возникающие в первый период сушки, зависят от перепада влажности по сечению. Характер распределения влаги по сечению заготовок без предварительной химической обработки и предварительной химической обработкой представлен на рис. 1 и 2.

На рис. 1 показан характер изменения влажности поверхностной Wп0в и внутренней Wц зон пиломатериала без предварительной обработки.

В начале сушки, при влажности древесины выше предела насыщения клеточных стенок Wnм, усушки нет и напряжения на коротком участке постоянной скорости сушки

0-1 отсутствуют. На участке 1-2 влажность поверхности опускается ниже Wu.ii и в материале возникают растягивающие влажност-ные напряжения. Дальнейшая сушка материала приводит к образованию еще большего перепада гигроскопической влажности ДWг. После момента 2 влажность центральной зоны опускается ниже Wп.н, перепад влажности начинает уменьшаться.

На рис. 2 показан характер изменения перепада влажности для сушки заготовок после предварительной химической обработки. Предварительная химическая обработка уменьшает интенсивность испарения влаги с поверхности и одновременно увели-

1

4

а

4

я

чивает ток влаги от центра к поверхности материала. В результате этого перепад влажности АЖг будет значительно меньше, чем у заготовок без предварительной химической обработки (рис. 1). Одновременно с проникновением раствора в поверхностный слой последний усыхает медленнее, что не вызывает опасных напряжений в поверхностном слое в первый период сушки.

У заготовок с предварительной обработкой поверхность материала достигает предела насыщения клеточных стенок позже (участок 0-1, рис. 2) по сравнению с необработанной древесиной (участок 0-1, рис. 1).

В период падающей скорости сушки на участке 1-4 (рис. 2) распределение влаги по сечению материала более равномерное, чем на участке 1-4 (рис. 1). На момент окончания сушки в материале с предварительной обработкой перепад влажности по сечению меньше, чем у необработанной древесины и устанавливается значительно раньше момента а (рис. 1 и 2).

Различие в величине перепада влажности АЖг по сечению материала у обработанных и необработанных заготовок оказывает влияние и на величину внутренних напряжений.

На рис. 5 и 6 приведены эпюры остаточных напряжений для древесины дуба толщиной 40 мм, высушенные с предварительной химической обработкой.

На рис. 5 представлена эпюра остаточных напряжений в древесине дуба при влажности 37 %. На эпюре отражен момент смены знака напряжений. Согласно данным Курьяновой [1], для натуральной древесины дуба при конвективной сушке смена знака напряжений происходит при величине средней текущей влажности около 44-49 %. После химической обработки древесины величина этого предела понижается до уровня, близкого к 36-40 %.

Незначительное снижение уровня переходной влажности вызвано более длительным периодом постоянной скорости сушки, т. е. более поздним моментом перехода поверхностью древесины уровня влажности ниже Жп.н.

Рис. 5. Эпюра остаточных напряжений в дубовой доске после камерной сушки с предварительной химической обработкой

На рис. 6 представлена эпюра остаточных напряжений в древесине дуба после конвективной сушки с предварительной химической обработкой. Величина растягивающих напряжений во внутренней части образца не превышает 1,8-1,9 МПа. Допустимые напряжения для древесины дуба составляют о-доп = 5,6 МПа (айй. = 0,7 а , где о -предел прочности на разрыв поперек волокон; для дуба о = 8 МПа).

Величина остаточных напряжений зависит от интенсивности протекания процесса сушки. По данным Курьяновой [1] после атмосферной сушки дубовых пиломатериалов сжимающие напряжения в поверхностных зонах не превышали 1,7 МПа, а растягивающие напряжения во внутренней зоне -0,9 МПа. После камерной сушки напряжения в поверхностных и внутренней зонах у тех же досок могут доходить соответственно до 7,5 и 3,8 МПа.

10 15 20 25 30 35 39

Рис. 6. Эпюра остаточных напряжений в

дубовой доске после камерной сушки с предварительной химической обработкой

Из эпюры рис. 6 видно, что после камерной сушки древесины дуба с предварительной обработкой сжимающие напряжения в поверхностных зонах достигают 4,0 МПа, а растягивающие во внутренней - 1,9 МПа.

Результаты исследований величины остаточных внутренних напряжений пока-

зывают, что предварительная химическая обработка позволяет высушивать древесину дуба с минимальными внутренними напряжениями, сопоставимыми с внутренними напряжениями после атмосферной сушки.

Выводы

1. Предлагаемый способ сушки древесины твердых пород позволяет упростить технологию путем исключения начального прогрева и влаготеплообработки.

2. Внутренние напряжения в древесине после камерной сушки с предварительной химической обработкой меньше, чем напряжения в древесине без обработки, и сопоставимы по своей величине с внутренними напряжениями после атмосферной сушки.

3. Продолжительность камерной сушки древесины твердых пород с предварительной обработкой в 2,0-2,5 раза меньше, чем без обработки.

4. Способ сушки с предварительной химической обработкой является энергосберегающей технологией и может быть рекомендован в производство.

Библиографический список

1. Курьянова Т.К. Исследование усадки древесины дуба в зависимости от режима сушки: Дис. канд. техн. наук. - М.: МЛТИ, 1981. - 23 с.

2. Уголев Б. Н. Испытания древесины и древесных материалов. - М.: Лесн. пром-сть, 1965. -252 с.