CC BY
50
УДК 674.049.2
ДЕФОРМИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ РАВНОМЕРНОМ СЖАТИИ С
ОДНОВРЕМЕННОЙ СУШКОЙ И. Н. Медведев, О. И. Шакирова, В. А. Шамаев
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
medved-vm82@mail. ш
Теория прессования древесины поперек волокон П.Н. Хухрянского рассматривает случай прессования без одновременной сушки.
Разработанная теория прессования пластифицированной древесины с одновременной сушкой [1, 2] применима для случая уплотнения древесины без пресс-форм, когда поперечные деформации не превышают деформации усушки древесины в направлении, перпендикулярном направлению прессования. Эти условия выполняются при конвективной сушке древесины, когда сушка происходит медленно, в течение 3-6 суток.
При сушке древесины в гидрофобных жидкостях, как это имеет место при получении шпал, сушка без прессформ невозможна, т. к. процесс сушки длится несколько часов, т. е. очень быстро. Здесь возможны два случая прессования: прессование прямоугольной заготовки в прессформе (поперечные деформации отсутствуют), т. е. случай одноосного равномерного прессования с одновременной сушкой и прессование цилиндрической заготовки в прессформе с формированием в сечении заготовки, близкой к прямоугольной, т. е. случай неравномерного прессования древесины с одновременной сушкой. Рассмотрим первый случай.
При прессовании древесины искажа-
ется сетка лигноуглеводной матрицы, разрываются водородные связи. При сушке образцов в прессформе происходит фиксация новых поперечных водородных связей, чем и объясняется переход упругих деформаций в остаточные.
Разработанная в настоящее время теория упруго-вязкого тела [3, 4] позволяет получать близкое к действительности представление о закономерностях деформирования древесины и формировании ее прочностных характеристик. Однако данная теория не учитывает сложности реального строения древесины. Являясь орто-тропным материалом, древесина состоит как минимум из трех составляющих, являющихся высокодисперсными и коллоидными веществами.
Существенной особенностью строения древесины, во многом определяющей ее механические свойства, является сетчатая ее структура, образованная пучками цепных молекул, связывающих кристаллические участки в некристаллических областях. Соотношение кристаллических и некристаллических участков (т.е. упругих и неупругих элементов), очевидно, будет зависеть от гидротермического состояния древесины, определяемого температурой, влагосодержанием, наличием пластификатора и т.д.
Как известно, при действии на древе-
сину внешних сил в ней возникают упругие и эластические деформации. Эластическая деформация носит затухающий характер: она исчезает тогда, когда эластическая деформация лигноуглеводной матрицы целиком замещает упругую деформацию, при этом напряжение в матрице падает до нуля. Для более интенсивного превращения упругих деформаций в остаточные прессование древесины осуществляют с одновременной усушкой; при этом происходит релаксация напряжений.
При наличии избытка влаги (начало процесса сушки) и воздействии силы, общее поведение древесины приближается к высокоэластическому. Здесь также возникают упругие деформации, однако соответствующая им жесткость (эквивалент модуля Юнга) быстро уменьшается. Развиваются эластические деформации, связанные уже с перегруппировкой звеньев и целых сегментов молекулярных цепей без потери взаимной связи между молекулами. Переход древесины в высокоэластическое состояние определяется свойствами целлюлозы как полимерного вещества. Такой переход четко прослеживается, например, при сжатии вдоль волокон.
По Эриньшу упругие деформации в древесине определяются наличием целлюлозы, неупругие - лигнином и гемицеллю-лозами. Неупругие составляющие древесины, находящиеся в высокоэластическом состоянии, обладают свойствами ползучести. Со временем под нагрузкой деформации растут, преодолевая сопротивление целлюлозных образований, находящихся в застеклованном состоянии.
При сжатии поперек волокон естест-
венной древесины вместо области разрушающей нагрузки (при растяжении) есть область прессования, где преобладают значительные и случайные внутренние перемещения материала, приводящие к повышению плотности его упаковки. Деформация упругого последействия, развивающаяся при этом, является обратимой и исчезает со временем после снятия нагрузки.
Неупругие составляющие древесины (лигнин и гемицеллюлозы) весьма неоднородны по составу и находятся в неоднородных физических состояниях. Часть из них прочно сохраняет свою застеклован-ность, часть легко изменяет его, значительное количество находится в высокоэластическом состоянии, остальные на грани вынужденной эластичности. При этом уже в процессе сжатия некоторое количество условно-упругих деформаций заменяется деформациями вынужденной эластичности. Это сопровождается возрастанием напряжений в целлюлозе и инкру-стах, не переходящих в состояние вынужденной эластичности.
В неупругих составляющих сжимаемой древесины, находящихся в высокоэластическом состоянии, напряжения спадают практически до нуля; в инкрустах, выходящих в состояние вынужденной эластичности, напряжения падают до предела вынужденной эластичности. Та часть деформаций ползучести древесины, которая соответствует передаче напряжения частицам, вышедшим в состояние вынужденной эластичности, и проявляется как термовла-гообратимая остаточная деформация.
Наличие у частиц инкрустов, спектра пределов вынужденной эластичности, обу-
славливает зависимость характеристик процесса от начального напряжения. Если снять нагрузку раньше, чем закончится процесс ползучести, то обратная ползучесть длится дольше по времени, чем прямая. При освобождении деревянной пластинки от связей после ее сушки в закрепленном состоянии, появляется остаточная деформация. Ее называют влагоприращен-ной, поскольку она появилась как результат влияния изменения влажности на модуль упругости. Влагоприращенная остаточная деформация исчезает при увлажнении образца, являясь влагообратимой остаточной деформацией.
При высыхании древесины после снятия нагрузки возвращается лишь упругая составляющая, соответствующая максимальному значению модуля Юнга сухой древесины. Она является частью деформации, развивающейся во влажном состоянии, характеризуемом меньшим значением модуля упругости.
Поскольку субмикроструктура древесины при прессовании не изменяется, можно предположить, что показатели вязкой деформации (время релаксации, коэффициент ползучести) должны оставаться неизменными, т. к. эти показатели не зависят от плотности, а, следовательно, и от степени прессования. В данной работе выполнена экспериментальная проверка этого положения. Само наличие деформаций, имеющих механизм вязких и развивающихся по соответствующим законам, не вызывает сомнения.
Показателем усушки служит влажно-стная деформация образца, отнесенная к размеру образца с влажностью, равной
пределу гигроскопичности, выраженному в процентах к размеру (объему) абсолютно сухого образца. Полная объемная усушка при удалении всей гигроскопической влаги связана с плотностью, а, следовательно, для прессованной древесины и со степенью прессования. Максимально возможная усушка определяется максимальной гигроскопической влажностью и плотностью связанной влаги.
Усушка радиальная в 1,5-2,0 раза меньше тангенциальной. Если здесь роль разграничителя играют, скорее всего, сердцевинные лучи, то при радиальной усушке развиваются значительно большие усадочные напряжения. В общем случае усушка рассматривается как результат спонтанного изменения размеров (неравномерного) некоторой ячеистой конструкции. Наибольшая усушка происходит в направлении меньшей жесткости системы.
Температурная деформация в направлении поперек волокон при нагревании сухой древесины до 100 °С примерно равна деформации древесины при увлажнении на 1-2 %. При нагревании сырой древесины в воде тангенциальные размеры ее увеличиваются, а радиальные - уменьшаются. Наиболее отчетливо это прослеживается при первом нагревании [5].
По молекулярным представлениям упругие деформации древесины - это следствие обратимого изменения средних расстояний между элементами структуры; высокоэластические деформации - обратимые перегруппировки элементов структуры (звеньев макромолекул), вязко-текучие - необратимые смещения молекулярных цепей.
Древесина, даже в глубинных слоях и при исчезающе малых напряжениях, не обладает действительной упругостью. Развивающиеся в ней остаточные деформации сохраняются и после снятия вызвавших их усилий. Наблюдается специфический процесс перестройки упругих деформаций в остаточные вследствие изменения жесткости древесины при снижении ее влажности и повышении температуры. Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой, обусловлены условно-упругими деформациями и относятся к категории временных (исчезают при увлажнении древесины). Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций.
При анализе больших и предельных изменений микро- и макроструктуры древесины при прессовании различают также 3 типа деформаций: 1) условно-упругие, 2) упруго-запаздывающие, 3) остаточные. В процессе сжатия поперек волокон древесины рассеянно-сосудистых пород происходит последовательный процесс сплющивания полостей сосудов и капилляров либ-риформа.
Во второй фазе сжатия (собственно процесс прессования) происходит ориентированное изменение формы поперечного сечения сосудов. Причем их длинные оси
пЕм — + оЕд -
м 1, д
ш |
где Ем и Ед - соответственно мгновенный и длительный модули упругости; 8 - деформация; У - напряжение;
ориентированы перпендикулярно направлению приложения силы. Ориентация больших осей полостей сосудов практически не зависит от направления прессования в плоскости, перпендикулярной волокнам.
В первой фазе сжатия остаточная деформация развивается нелинейно со временем с убывающей скоростью. Остаточная деформация развивается только во время действия нагрузки. Обратимые во времени (Т, W - const) часть общих деформаций (условно-упругие и задержанные) подчиняются закону деформирования Б.И. Огаркова.
В начальном периоде нагружения при постоянной нагрузке деформации почти не развиваются и не зависят от времени. В стадии прессования с течением времени происходит переход условно-упругих деформаций в остаточные. Скорость этого процесса возрастает с ростом напряжений. Поскольку при изменении естественной макроструктуры достигаются большие деформации, с течением времени в случае действия постоянной нагрузки изменяется и реологический коэффициент, характеризующий мгновенную упругую деформацию.
Рассмотрим реологическое уравнение для древесины Б.И. Огаркова
da а
= n--\-а-
t Л dt (t Л
(1)
n
n
п - время релаксации; о - коэффициент формы, меньший единицы; t - время.
s
Проинтегрировав уравнение (1) для случая постоянного напряжения, получаем выражение для полной относительной деформации, состоящей из суммы упругой и эластической деформации
Е
а а
+
Е„ Е,
Е
м
Ее V е/
(2)
Если же полная деформация постоянна, получаем выражение функции релаксации напряжений
а
ЕмЕ
[Ем -
Е
. (3)
Как видно из уравнения (3), эластическая деформация носит затухающий характер.
Реологический коэффициент п характеризует скорость изменения конфигурации (время изменения) звеньев полимерной цепи лигноуглеводной матрицы. Наличие второго реологического коэффициента а означает замедление эластического деформирования по сравнению со случаем, когда а —1 и указывает на более медленное изменение конфигурации всей полимерной цепи и надмолекулярных структур.
Рассмотрим, какие реологические явления происходят в процессе прессования древесины. Пусть большая внешняя сила действует в направлении, перпендикулярном направлению волокон. Тогда полная деформация состоит из суммы деформации упругой, деформации ползучести (эластической деформации) и деформации уплотнения (прессования). Древесина уплотняется вследствие уменьшения
плотностей клеток, так как стенки клеток теряют устойчивость. Деформации прессования составляют более 95 % полной деформации, в связи с чем упругими деформациями и деформациями ползучести можно пренебречь. При прессовании древесины основное значение имеют другие реологические явления, связанные со способностью древесины уплотняться под действием постоянной большой нагрузки (явление «самоуплотнения»). Если на рычажной машине подвергнуть древесину мгновенному нагружению, то деформация прессования (уплотнения) состоит из мгновенного уплотнения Ем и длительного
уплотнения , развивающегося со временем:
Е = ЕМ + Е .
(4)
Для мгновенной деформации справедлив закон Гука
а dЕ 1 dа
е.. - —
(5)
Е dt Е dt где Е - модуль прессования (условный). Для деформации Ее примем обоб
щенный закон вязкости
dЕr
а
а
dt пЕ (t
(6)
Значение времени релаксации в формулах (5) и (6) различны, ибо в первом случае время релаксации обусловлено эластической деформацией лигноуглеводной матрицы (связано с особенностью микростроения древесины), а во втором оно обусловлено деформацией прессования вследствие потери устойчивости клеточными стенками (связано с особенностью макро-
а
е
а
t
п
1
1-а
строения древесины).
Если усилие прессования снять сразу после приложения нагрузки, то деформация уплотнения обратима. Технология прессования древесины предусматривает возможность превращения обратимых деформаций в необратимые. Для этого предусмотрена операция сушки, которая переводит упругие деформации в остаточные. В нашем случае сушка и прессование происходит одновременно, тогда уравнение (4) будет иметь вид
(7)
8 = 8м + 8 + 8у ,
где 8у - деформация усушки в направлении прессования, равная
8 у = ку¥, (8)
где ку - коэффициент усушки древесины в направлении прессования; Ж - изменение влажности за время сушки.
Продифференцируем уравнение (4) по времени
Ш8„
= 0.
ш ш
Из уравнений (5), (6) и (9) следует
(9)
Шу а у
-+--:- = 0.
л п (t Л
п,
(10)
После интегрирования уравнения (10) получаем
у = У0е
(11)
Это выражение представляет собой закон изменения во времени внутренних напряжений в образце, помещенном в прессформу. Напряжения со временем снижаются, пропорционально им умень-
шается упругая деформация образца.
Напряжения, возникающие в древесине в процессе сушки, будут Уу = 8уЕ или, с учетом (8),
Уу = куЖЕ. (12)
Процесс сушки можно считать законченным, когда все упругие и эластические деформации перейдут в остаточные, т. е. завершится полная фиксация новых размеров образцов в прессформе. Тогда все напряжения у будут равны Уу,
или
У0е ^п J = куЖЕ .
(13)
Это уравнение описывает процесс одновременного прессования древесины с одновременной сушкой.
В формулах (12) и (13) модуль прессования является переменной величиной, зависящей от влажности, температуры и плотности древесины.
В реальном процессе прессования и сушки может быть три случая: 1) прессование происходит быстрее, чем высыхает образец, т. е. время высыхания много меньше времени релаксации п, тогда 8 = 8м; 2) время высыхания много больше времени релаксации, тогда 8 = 8 ; 3) время
высыхания близко ко времени релаксации.
Для практики наиболее важен третий случай, когда внутренние напряжения в древесине минимальны. Для этого случая эмпирически установленная зависимость модуля прессования от влажности
8 = 8м (1 -акуЖ). (14)
Тогда формула (12) примет вид
а
а
а у - ку (1 - акуЖ У , (15)
а уравнение деформирования древесины в прессформе с одновременной сушкой
__ (Оа
куЕм (1 - акуУ У - а0е 1 пJ . (16)
Экспериментальная проверка (16) для сушки древесины березы в каменноугольном масле с одновременным прессованием показала, что отклонение расчетных данных от опытных не превышает 15 %.
Выводы:
1. Уравнение деформирования древесины для случая прессования может быть применено для случая прессования с одновременной сушкой.
2. Уравнение (16) выражает полную деформацию образца древесины в направления сжатия, состоящую из суммы деформаций усушки и деформации прессования, причем последняя выражается через модуль прессования.
Библиографический список
1. Shamaev V.A. Modifikacja drewka mocznkiemc: «Modifikacja drewka». Materi-
aly IV sympozjum naukowe. Poznan. WRZES, 1983.
2. Шамаев В.А., Гаврилов Г.К. Влияние пропитки мочевиной на деформатив-ные показатели древесины березы // «Проблемы комплексного использования древесного сырья». Рига, 1984.
3. Огарков Б.И., Шамаев В.А. Реологические явления в процессе деформирования древесины (статья): «Modifikacja drewka». Materialy VI sympozjum naukowe. Poznan. WRZES, 1987.
4. Гаврилов Г.К., Шамаев В.А., Болдырев В.С. Изменение деформативных свойств древесины уплотненной сжатием поперек волокон // Folia Forestalia Polo-nia.Ser.B.zeszyt.17. 1987.
5. Шамаев В.А., Сидельников А.И. Прессование древесины с одновременной сушкой в прессформе // Интеграция науки и высшего лесотех. образования : Мат. науч. практич. конф. Воронеж, ВГЛТА, 2004. Т. 2, С. 94-98.
УДК 674.093.26
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ И
ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В. С. Мурзин, Е. В. Кантиева, Л. В. Пономаренко
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Свободная поверхностная энергия, основных характеристик любого вещества.
или поверхностное натяжение - одна из Свободная поверхностная энергия твердых
