Древесный наполнитель и его влияние на качество композиционного материала

УДК 674.04

Р. Р. Хасаншин, П. А. Кайнов, Р. Т. Хасаншина

ДРЕВЕСНЫЙ НАПОЛНИТЕЛЬ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Ключевые слова: древесный наполнитель, композиционный материал, модификация.

В статье рассматривается свойство древесины, применяемой в качестве наполнителя для композиционных материалов. Представлен обзор современного состояния техники и технологии создания древесно-наполненных композиционных материалов.

Keywords: wood filler, composite, modify.

In the article the property of wood, used as a filler for composite materials. Presents an overview of the present state of the art and technology of wood-filled composites.

Введение

В производстве композиционных материалов с целлюлозосодержащим наполнителем наиболее широкое применение нашли различные хвойные и лиственные породы древесины. Это объясняется большей доступностью древесного сырья и сосредоточенностью его в больших количествах в отходах на местах переработки в виде вторичных ресурсов.

Древесина представляет собой сложный комплекс веществ главным образом органического происхождения. Она состоит из целлюлозы (примерно 50% всей массы древесины), лигнина, гемицеллюлозы и небольшого количества экстрактивных веществ - тан-нидов (дубильных и красящих веществ), жиров, эфирных масел, органических кислот, водорастворимых сахаров, минеральных солей [1-4].

Древесный наполнитель, как и многие другие целлюлозосодержащие материалы растительного происхождения, наряду с присущими им ценными свойствами (малая средняя плотность, хорошая смачиваемость, легкость обработки) имеет и отрицательные качества, которые затрудняют получение готового материала высокой прочности [1, 5, 8].

К специфическим особенностям органического целлюлозосодержащего наполнителя, отрицательно влияющим на процессы структурообразования композиционного материала относятся: повышенная химическая агрессивность; значительная степень объемных влажностных деформаций и развитие давления набухания; наличие упругопластических свойств; сравнительно высокие проницаемость и проводимость; низкая адгезия по отношению к цементному камню; резко выраженная анизотропия; значительная упругость при уплотнении смеси [7, 9].

Основная часть

Отечественными и зарубежными специалистами отмечалось, что в силу неодинакового содержания легкогидролизуемых веществ в разных породах древесины и ее различной морфологической структуры для получения высококачественных древесно-

наполненных композитов выбор породы древесины имеет принципиальное значение [3, 8].

Зандерман и Ден в своих работах на примере фибролита установили степень пригодности различ-

ных пород древесины для изготовления композиционных материалов (табл. 1) [9].

Таблица 1 - Пригодность некоторых пород древесины для композиции «древесина-цемент»

Первые исследования показали, что древесина содержит легкогидролизуемые и экстрактивные вещества - «цементные яды», вредные для цемента, которые и замедляют набор прочности изделий (производство арболита). Было установлено, что наиболее вредное воздействие оказывают легкорастворимые простейшие сахара: сахароза, глюкоза, фруктоза и часть гемицеллюлозы, способной в определенных условиях превратиться в эти сахара, и в меньшей степени опасны крахмал, танниды и смолы. Щелочная среда цементного теста способствует выделению «цементных ядов», количество которых колеблется в значительных пределах в зависимости от породы древесины, условий и сроков ее хранения.

Было выявлено, что воздействие водорастворимых веществ древесины на твердеющий цемент проявляется в стабилизирующем эффекте. «Цементные яды», состоящие в основном из углеводных групп НОСН, осаждаясь на поверхности частичек минералов цемента 3СаО-8Ю2 (трехкальциевый силикат) и ЗСаО-А12О3 (трехкальциевый алюминат), образуют тончайшие оболочки, которые затрудняют ход процессов гидратации цемента [2, 7, 10].

Порода древесины Содержание водорастворимых веществ, % Степень пригодности древесины

Ель 1,12 1

Тополь 1,29 - 1,45 2

Береза 2,67 3

Сосна 316 - 6,2 4

Дуб 2,55 - 7,33 5

Ясень 2,24 - 5,81 6

Лиственница 10,6 7

Проведенные исследования [10, 11] показали, что при почти полном удалении легкогидролизуемых веществ из древесного наполнителя прочность арбо-литового материала удается увеличить лишь на 1015%. Следовательно, наличие таких веществ в наполнителе можно рассматривать лишь как один из его недостатков. Это означает, что кроме химической агрессивности (содержание экстрактивных и легкогидролизуемых веществ) древесный наполнитель обладает и другими специфическими свойствами, которые отрицательно воздействуют на структурную прочность древесно-композиционного материала.

Из всех специфических особенностей целлюло-зосодержащих наполнителей наиболее хорошо изучена их агрессивность по отношению к клинкерному цементу. Исследование свойств композиции «древесина - цементный камень» началось с 1924 г. Было выдвинуто предположение, что низкая прочность этой композиции связана с химическим составом древесины (табл. 2) [12].

Таблица 2 - Химический состав некоторых пород древесины

влажности древесины, составленная проф. Н.Н. Чу-лицким на основании экспериментальных данных [14, 15].

Составные

части, Ель Сосна Осина Бук

%

Целлюлоза (оп-

ределяемая по хлорному мето- 58,3 55,6 54,1 47,9

ду без пентозанов)

Лигнин

(определяемый по сернокисло- 28,3 26,5 20,1 22,5

му методу)

Гемицеллюлоза 10,3 9,6 22,4 26,0

Экстрактивные

вещества, растворимые в 1,9 2,3 2,3 2,4

горячей воде

Другим существенным недостатком древесного наполнителя, отрицательно влияющем на прочность древесно-цементных композиционных материалов является развитие объемных влажностных деформаций. К таким деформациям относятся: усушка и разбухание, которые составляют вдоль волокон 0,1-0,3%, в радиальном 3-5%, в тангенциальном направлении 612% [8, 13].

В процессе твердения и сушки древесно-цементного композиционного материала, а также и при эксплуатации конструкций из него древесный наполнитель подвержен объемным деформациям - может попеременно усыхать и набухать в зависимости от атмосферных условий, изменять форму и размеры, что способствует возникновению внутренних напряжений и деструкции контактных зон, снижению прочности структуры конгломерата.

Количественно зависимость между содержанием влаги в древесине и состоянием окружающего воздуха определяется кривыми равновесной влажности. На рис. 1.2 представлена диаграмма равновесной

-20-10 О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Температура воздуха с, °С Рис. 1 - Диаграмма равновесной влажности древесины Н.Н. Чулицкого

Наибольшее давление возникает в тех компонентах древесины, вокруг которых недостаточно пространства для свободного разбухания и где оно больше сдерживается. К таким компонентам относятся гемицеллюлозы, заключенные между микро-фобриллами, и пектиновые вещества, локализованные в срединной пластинке [15].

Таким образом, напряженное состояние твердеющей структуры древесно-цементного композиционного материала во многом определяется способностью древесного наполнителя развивать значительные по величине влажностные деформации и связанные с ним давления набухания, а в пределах контактных зон - возможностью развития неодинакового напряжения на отдельных участках ранней и поздней древесины, обусловленного анизотропным строением древесины.

Древесина, как и другое сырье растительного происхождения, представляет собой капиллярно-пористое коллоидное тело, или ограниченно набухающий гель. Это позволяет вводить в нее инородную жидкость, т. е. возможна ее пропитка растворами [16, 17]. Вода, проникая в волокна древесины, разрыхляет мицеллярные ряды, разрывает водородные связи между гидроксидами смежных молекул и этим разрыхляет структуру волокна. Таким образом, присутствие сорбированной жидкости в древесине не только меняет ее механические характеристики, но и обусловливает проводимость древесиной жидкостей.

Изменение влажности древесно-цементного композиционного материала прежде всего связано с миграцией влаги в древесном наполнителе. Находящаяся в древесине влага в зависимости от местонахождения и степени связи по-разному проявляет себя. Свободная влага размещается в капиллярах или полостях клеток, а также между клетками, достаточ-

но легко мигрирует и удаляется из древесины. Связанная влага частично образует на мицеллах целлюлозы адсорбированные пленки, частично вклинивается между мицеллами в виде субмикроскопических прослоек. Химически же связанная влага входит в состав древесного вещества самих клеточных оболочек [1820].

В процессе проникновения воды в клеточной стенке образуется большая внутренняя поверхность, на которой происходит взаимодействие древесины с водой. Исходя из коллоидной природы клеточных стенок, отмечают [20] ряд общих положений, относящих к капиллярной структуре стенок: в абсолютно сухом состоянии клеточная стенка непроницаема для газов и жидкостей, не вызывающих ее разбухания; капилляры в клеточной стенке образуются лишь в результате поглощения воды и только в ее присутствии существуют, а при высушивании капилляры смыкаются, т.е. толщина капилляров непостоянна и зависит от влажности.

Таким образом, древесный наполнитель обладает достаточно большим водопоглощением, поэтому, чтобы предотвратить отбор воды из приготовленной смеси и обезводить контактную зону (что противоречит основополагающим положениям теории прочности бетона), при приготовлении арболитовой смеси, приходится поддерживать высокие значения В/Ц, а это ведет к значительным усадочным деформациям и снижению прочности материала. В тоже время наличие влаги в древесине и влажностные деформации отрицательно влияют на процессы структурообразова-ния арболита, поэтому одним из направлений получения арболита со стабильными физико-механическими показателями следует считать стабилизацию объема древесного наполнителя.

До настоящего времени в лабораторной практике не существует общепринятой методики определения величины сцепления древесины с минеральными вяжущими веществами. Методы определения сцепления арматурной стали (выдергивание или выдавливание стержней из затвердевшего бетона) при замене стержня деревянным бруском не могут быть приняты нами из-за того, что при вытягивании бруска из затвердевшего раствора фиксируется не только сила, необходимая для нарушения сцепления материалов благодаря склеиванию, но также сила трения материала о затвердевший раствор, на которую влияет защемление, вызываемое набуханием деревянного бруска или его короблением.

В работе [8] была предложена методика определения адгезии системы «дерево - цементный камень», которая позволила определить величину сцепления, обусловленную только способностью данных материалов к склеиванию и исключающую возможность повышения сцепления вследствие защемления древесины раствором вяжущего. Она дает также возможность выявить специфическую адгезию элементов годичного слоя (ранней и поздней древесины).

В процессе структурообразования с изменением влажности древесного наполнителя меняются такие его свойства, как жесткость, пластичность, что естественно отражается на его структуре и прочности. Известно, что древесина характеризуется сравнительно большой жесткостью - способностью сопротивляться

упругому деформированию (значением модуля упругости). С увеличением влажности жесткость древесных частиц наполнителя уменьшается, а с увеличением плотности древесины - увеличивается. Наибольшее влияние на процессы уплотнения и струк-турообразование арболита оказывает такое свойство древесного наполнителя, как упругость. При динамической нагрузке в процессе уплотнения арболито-вой смеси упругость ее может характеризоваться следующими значениями живого упругого сопротивления: сосна - 20-30; ель - 50-100; береза - 50. [21-23].

В связи с тем, что древесина проявляет упру-гопластические свойства, арболитовая смесь проявляет такие же свойства. Поэтому процесс ее уплотнения сопровождается редеформацией (распрессов-кой) отформованного изделия после снятия приложенной нагрузки. В зависимости от средней плотности формуемых арболитовых изделий и фракции древесного наполнителя коэффициент уплотнения варьируется от 1,2 до 1,8 и более, что также влияет на редеформацию. Поэтому для восприятия упругой составляющей при уплотнении арболитовой смеси применяют формы с фиксированными крышками (по способу вибропрессования). Используют и другие способы: силовой вибропрокат, послойное уплотнение (укатка). Однако во всех случаях наблюдается отрицательное влияние упругости арболитовой смеси на структурообразование и на напряженное состояние отформованного изделия из арболита.

Литература

1. Хасаншин, Р.Р. Термическая обработка древесного наполнителя в производстве композиционных материалов / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, В.А. Лашков // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2011. - № 20. - С. 150-154.

2. Сафин, Р.Р. Разработка технологии создания влагостойкой фанеры / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Зиатдинов и [др.] // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2012. - № 20. - С. 6465.

3. Хасаншин, Р.Р. Повышение эксплуатационных характеристик клееных материалов, созданных на основе термо-обработанного шпона / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Зиатдинов // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2013. - № 13. - С. 87-89.

4. Хасаншин, Р.Р. Экспериментальные исследования динамики избыточного давления внутри древесины при ее термическом модифицировании / Р.Р. Хасаншин // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2013. - № 14. - С. 116-117.

5. Сафин Р.Р., Экспериментальные исследования осциллирующей сушки древесины в гидрофильных жидкостях / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Галяветдинов Н.Р., Валиев Ф.Г. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2008. Т. 51. № 12. С. 104-106.

6. Сафин Р. Р. Композиционные материалы на основе модифицированных древесных опилок обработанные ВЧ плазмой / Р.Р. Сафин, Л.И. Аминов, Е.Ю. Разумов [и др.] // Деревообрабатывающая промышленность.

7. Цементный фибролит / Б.И. Кауфман, Л.М. Шмидт, Д.А. Скоблов, А.С. Повлоцкий. М.: 1961.

8. Наназашвили И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И.Х. Наназашвили. - 2-е изд., пе-рераб. И доп. - Л.: Стройиздат. 1990. - 415 с.

9. Наназашвили И.Х. Исследование адгезии в структуре конгломерата «древесина-цементный камень» / И.Х. Наназашвили // Совершенствование заводской технологии железобетонных изделий на предприятиях сельстройиндуст-рии. М., 1979.

10. Минас А.И. Специфические свойства арболита / А.И. Минас, И.Х. Наназашвили // Бетон и железобетон. 1978. № 6. - С. 19-20.

11. Наназашвили И.Х. Арболит - эффективный строительный материал. / И.Х. Наназашвили. М.: 1984. - 122 с.

12. Наназашвили И. Х. Строительные материалы из древес-но-цементной композиции / И. Х. Наназашвили. - 2-е изд., перераб. И доп. - Л.: Стройиздат. 1990. - 415 с

13. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. М.: 1976.

14. Чулицкий Н.Н. Исследование водопроводности и водо-поглащаемости древесины различных пород / Н.Н. Чулицкий // Научные труды. - М.: ЦАГИ. - 1932. - С. 122-123.

15. Necesany V. Der Quellungsdruck von Holz und Seinen Bestandteilen. - Holz Roh-Werkstooff, 2005. - Bd. 23. - S. 183-187.

16. Оснач Н.А. Проницаемость и проводимость древесины. М.: 1964

17. Чудинов Б.С. Вода в древесине / Б.С. Чудинов. Новосибирск. - Наука, 1984. - 263с.

18. Никитин В.М. Химия древесины и целлюлозы, М-Л.: 1951

19. Оболенская А.Б. Химия древесины и полимеров / А.Б. Оболенская, В.П. Щеглов. М.: 1980

20. Патякин В.И. Техническая гидродинамика древесины /В.И. Патякин, Ю.Г. Тишин, С.М. Базаров. - М.: Лесная промышленность, 1990. - 304 с

21. Сафин, Р.Р. Обзор современных решений сотрудников ФГБОУ ВПО «КНИТУ» в области техники и технологии сушки пиломатериалов / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, П. А. Кайнов // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2013. - № 23. - С. 7678.

22. Razumov, E.Y. Studies on mechanical properties of composite materials based on thermo modified timber / E.Y. Razumov, R.R. Safin, Stefan Barc^, Monika Kvietkov, R.R. Khasanshin // Journal "Drvna industrija" ("Wood industry") 64(1) 3-6 Zagreb, CROATIA, 2012, P. 3-8.

23. Лавлинская, О.В. Разработка клеевых композиций для производства фанеры пониженной токсичности: автореф. дис. ... канд. техн. наук / О.В. Лавлинская. Воронеж, 2004. - 16 с.

24. Галяветдинов Н.Р., Усовершенствование технологии изготовления древесно-наполненных композиционных материалов / Галяветдинов Н.Р. // Деревообрабатывающая промышленность. 2012. № 1. С. 025-027.

© Р. Р. Хасаншин - канд. техн. наук, доцент кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, П. А. Кайнов -канд. техн. наук, ассистент той же кафедры, kpa-nv@rambler.ru; Р. Т. Хасаншина - магистр той же кафедры, olambis@rambler.ru.

© R. R. Khasnsin - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of "Architecture and design of wood" KNRTU; P. A. Kainov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of "Architecture and design of wood" KNRTU, kpa-nv@rambler.ru; R. T. Khasanshina - Master student of the Department "Architecture and design of wood" " KNRTU, olambis@rambler.ru.