CC BY
60
УДК 539.4
ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ НЕКОТОРЫХ ХВОЙНЫХ ПОРОД
© Скурыдин Юрий Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент Алтайского государственного университета
Россия, 656031, г. Барнаул, ул. Ддринцева, 130
© Насонов Алексей Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, профессор кафедры физики и методики обучения физике Алтайского государственного педагогического университета Россия, 656031, г. Барнаул, ул. Ддринцева, 130, e-mail: [email protected]
© Голубь Павел Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, профессор кафедры физики и методики обучения физике Алтайского государственного педагогического университета Россия, 656056, г. Барнаул, ул. Чернышевского, 28
Методом динамического анализа исследованы температурные зависимости динамического модуля сдвига и тангенса угла механических потерь таких хвойных пород, как сосна, ель и кедр. Изучены релаксационные процессы в древесине. Проведены сравнительные данные динамических механических свойств древесины с другими древесными породами. Полученные результаты позволяют сделать вывод об эффективности использования динамического механического анализа для оценки структурных различий в древесине разных пород.
Ключевые слова: динамический модуль сдвига, релаксационные процессы, механика древесины, тангенс угла механических потерь, стеклообразное состояние, лигниноцеллюлозный комплекс.
THE DYNAMIC MECHANICAL PROPERTIES OF WOOD CONIFERS
Skurydin Yu. G., candidate of technical sciences, associate Professor, Altai State University 130, Yadrintseva, Barnaul, 656031, Russia
Nasonov Alex D., candidate of physical and mathematical sciences, Professor, Department of Physics and Methods of Teaching Physics, Altai State Pedagogical University 130, Yadrintseva, Barnaul, 656031, Russia
Golub Pavel D., candidate of physical and mathematical sciences, Professor, Department of Physics and Methods of Teaching Physics, Altai State Pedagogical University 28, Chernyshevsky, Barnaul, 656056, Russia
Temperature dependence of the dynamic shear modulus and the tangent of mechanical loss of such softwood as pine, fir and cedar were investigated by the dynamic analysis. Relaxation processes in the wood were studied. Comparative data of the dynamic mechanical properties of wood and other wood species were given. The obtained results allow to conclude on the effectiveness of the use of dynamic mechanical analysis to assess structural differences in the wood of different species.
Keywords: dynamic shear modulus, relaxation processes, mechanics of wood, tangens of mechanical loss, glassy state, ligno-cellulosic complex.
Исследования релаксационных процессов в древесине позволяют частично решить проблему о влиянии структуры древесины на ее физико-механические свойства, а также можно проследить, как зависят эксплуатационные характеристики древесины от ее возраста, породы, условий произрастания и других природных факторов. Как показала практика, наиболее эффективным для решения этих задач является метод динамического механического анализа (ДМА) [1, 2]. До настоящего времени, несмотря на высокую информативность, этот метод крайне редко использовался для изучения характеристик нативной древесины, его применение отмечено для весьма ограниченного спектра древесных пород и без однозначно четкой интерпретации полученных результатов [3, 4]. Несмотря на это, на предварительном этапе нами были получены данные, позволяющие строить обоснованные предположения о природе химических связей и морфологии древесного комплекса [5, 6]. Представляется интересным проведение эксперимента по нахождению температурной зависимости динамического модуля сдвига и тангенса угла механических потерь для древесины других пород. Метод ДМА был реализован на обратном крутильном маятнике. Погрешность определения динамического модуля
сдвига не превышала 5 %, а тангенса угла механических потерь —6 %.
Известно, что наибольшие области распространения в лесах Горного Алтая и всей Южной Сибири принадлежат хвойным породам. В качестве объекта исследования выбрана древесина сосны обыкновенной, а также ели и сосны кедровой, по своим физико-механическим и декоративным показателям древесина является наиболее востребованной на рынке строительных материалов.
Типичные кривые температурных зависимостей динамического модуля сдвига (О') и тангенса угла механических потерь (Tg5) древесины сосны, ели и кедра (вдоль волокон) показаны на рис. 1-3. Посредством анализа первой и второй температурных производных определены границы температурных переходов и температура максимума их интенсивности, которая выбрана нами на основании [7] как показатель точного положения процесса. Обнаружено, что в древесине всех исследованных пород имеется три области, характеризующиеся резким уменьшением величины О' по абсолютному значению - в интервале температур до 50 0С, 180-225 0С и ~225-280 0С. До настоящего времени сведения, имеющиеся в литературе об идентификации этих температурных переходов, весьма противоречивы и зачастую основаны лишь на предположениях. Ряд авторов [3, 4] ранее обнаруживали релаксационные переходы в древесине березы в областях до 70 0С, 170-220 0С, но не привели убедительных доказательств их связи с молекулярной подвижностью каких-либо компонентов древесины.
В более ранних работах [5, 6, 9] мы сделали попытку дать интерпретацию результатов ДМА измерений древесины некоторых лиственных пород. Работу следует считать продолжением данного направления. Как и в лиственной древесине, наиболее вероятно, что в древесине сосны, ели и кедра релаксационный переход при температуре до ~50 0С носит мультиплетный характер и отображает суперпозицию размораживания локальной подвижности цепей макромолекул целлюлозы, стеклования ее аморфной части [3, 7], а также лигнина и гемицеллюлоз, пластифицированных водой, всегда присутствующей в нативной древесине. Возможно, что данный переход частично обусловлен стеклованием низкомолекулярного лигнина. Примечательно, что для древесины всех исследованных хвойных нет существенного различия ни в положении, ни в ширине этого перехода. Интенсивность перехода, о которой можно судить по характеру температурной производной динамического модуля сдвига, у древесины кедра существенно меньше, чем у сосны и ели (рис. 1-3). По-видимому, причиной этого являются различия в химическом составе и, в большей степени, морфологии данных пород.
Область температур 180-225 0С характеризует переход лигноцеллюлозного комплекса из стеклообразного в высокоэластическое состояние [3-5], который обнаруживается при более низких температурах, чем в чистой целлюлозе [6, 7] из-за включения в сегментальную подвижность целлюлозы гибкоцепных фрагментов гемицеллюлоз и лигнина.
t g s
Рис. 1. Температурные зависимости динамического модуля сдвига, первая и вторая температурные производные, тангенс угла механических потерь древесины сосны вдоль волокон
Рис. 2. Температурные зависимости динамического модуля сдвига, первая и вторая температурные производные тангенса угла механических потерь для древесины ели вдоль волокон
Рис. 3. Температурные зависимости динамического модуля сдвига, первая и вторая температурные производные тангенс угла механических потерь древесины сосны кедровой вдоль волокон
Первый максимум на кривых температурной зависимости TgS оказывается близким к температуре выхода из зоны соответствующего перехода. Специфичной особенностью древесины сосны и кедра является весьма малая интенсивность этого перехода по сравнению с древесиной ели. Обоснованием такой отличительной особенности видится различие в соотношении высоко-низкомолекулярных компонентов в изученных образцах. Суммарно большее число молекул, вовлеченных в процесс единовременно, приводит к росту кооперативное™ и, соответственно, интенсивности процесса.
До настоящего времени в литературе не содержится четких сведений о высокотемпературном переходе при 225-280 0С, что вероятно связано с недостаточной чувствительностью использованных экспериментальных установок при измерениях в высокотемпературной области. Впервые этот переход был обнаружен нами при изучении древесины березы [5, 6]. Его существование подтвердилось впоследствии для древесины ряда других пород, в том числе и хвойных. Основываясь на результатах работы [8], можно заключить, что в высокотемпературном интервале происходит плавление кристаллических областей целлюлозы. Примечательно, что начало области плавления кристаллитов в хвойной древесине практически совпадает с окончанием процесса перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние, и лишь у древесины кедра эти процессы четко разделены. В этом видится существенное отличие от аналогичных процессов в древесине лиственных пород, где эти процессы четко разграничены широкой полосой относительной термостабильности шириной до 30 °С [5, 6, 9]. По характеру кривых температурной производной, в древесине сосны и кедра становится заметной гораздо большая интенсивность процесса плавления кристаллитов по сравнению с интенсивностью
основного релаксационного процесса. Плавление кристаллитов сопровождается пиком механических потерь. Он наблюдается во всех изученных образцах в области окончания процесса плавления, причем по интенсивности существенно больше первого пика, что свидетельствует о более существенной молекулярно-морфологической перестройке древесного комплекса хвойных при разрушении кристаллической структуры, чем при релаксационных процессах.
Проведенные исследования позволяют сделать заключение о древесине сосны, ели и кедра как о сложном лигноуглеводном конгломерате с температурой размораживания локальной подвижности цепей макромолекул целлюлозы и стеклования пластифицированной аморфной части лигноуглевод-ного комплекса в интервале до 50 0С. Стеклование лигноуглеводного комплекса происходит при температуре 180-225 0С, область плавления кристаллитов целлюлозы наблюдается в интервале температур 225-280 0С. Относительная термостабильность свойств сохраняется до ~200 0С. Полученные результаты позволяют сделать вывод об эффективности использования динамического механического анализа для оценки структурных различий в древесине разных пород и целесообразности продолжений исследований в выбранном направлении.
Литература
1. Перепечко И. И. Акустические методы исследования полимеров. - М.: Химия, 1973. - 295 с.
2. Перепечко И. И. Введение в физику полимеров. - М.: Химия, 1978. - 312 с.
3. Шахзадян Э. А., Квачев Ю. П., Папков В. С. Температурные переходы в древесине и ее компонентах // Высомолеку-лярные соединения. Серия А. - 1992. - Т. 34, № 9. - С. 3-14.
4. Шахзадян Э. А., Квачев Ю. П., Папков В. С. Динамические свойства некоторых пород древесины // Высомолекуляр-ные соединения. Сер. А. - 1994. - Т. 36, № 8. - С. 1298-1303.
5. Physical properties and Molecular Mobility of New Wood Composite Plastic «Thermobalite» / O. V. Startsev et al. // Wood Sci. and Technology. - 1999. - Vol. 33, № 1. - P. 73-83.
6. Скурыдин Ю. Г. Строение и свойства композиционных материалов, полученных из отходов древесины после взрывного гидролиза: дис. ... канд. техн. наук. - Барнаул, 2000. - 147 с.
7. Якобсон М. К., Эриньш П. П. Температурные переходы целлюлозы, природа температурных переходов в полимерах // Химия древесины. - 1981. - № 3. - С. 3-12.
8. Луке Р. В., Домбург Г. Э., Веверис Г. П. Термический анализ структурных модификаций целлюлозы // Химия древесины. - 1989. - № 3. - С. 20-23.
9. Скурыдин Ю. Г., Насонов А. Д. Динамические механические свойства лиственных пород древесины // Ультразвук и термодинамические свойства вещества. - 2003. - Вып. 29. - С. 49-53.
References
1. Perepechko I. I. Akusticheskie metody issledovaniyapolimerov [Acoustic methods of polymers studying]. Moscow: Khimiya,
1973. 295 p.
2. Perepechko I. I. Vvedenie vfizikupolimerov [Introduction to physics of polymers]. Moscow: Khimiya, 1978. 312 p.
3. Shakhzadyan E. A., Kvachev Yu. P., Papkov V. S. Temperaturnye perekhody v drevesine i ee komponentakh [Temperature transitions in wood and its components]. Vysokomolekulyarnye soedineniya - Polymer Science. Series A. 1992. V. 34. No. 9. Pp. 314.
4. Shakhzadyan E. A., Kvachev Yu. P., Papkov V. S. Dinamicheskie svoistva nekotorykh porod drevesiny [Dynamic properties
of some wood species]. Vysokomolekulyarnye soedineniya - Polymer Science. Series A. 1994. V. 36. No. 8. Pp. 1298-1303.
5. Startsev O. V., Salin B. N., Skuridin Yu. G., Utemesov R. M., Nasonov A. D. Physical properties and Molecular Mobility of New Wood Composite Plastic «Thermobalite». Wood Sci. and Technology. 1999. V. 33. No. 1. Pp. 73-83.
6. Skurydin Yu. G. Stroenie i svoistva kompozitsionnykh materialov, poluchennykh iz otkhodov drevesiny posle vzryvnogo gidroliza: dis. ... kand. tekhn. nauk [Structure and properties of composite materials made from wood waste after explosive hydrolysis. Cand. tehn. sci. diss.]. Barnaul, 2000. 147 p.
7. Yakobson M. K., Erin'sh P. P. Temperaturnye perekhody tsellyulozy, priroda temperaturnykh perekhodov v polimerakh [Temperature transitions of cellulose, nature of temperature transitions in polymers]. Khimiya drevesiny - Wood Chemistry. 1981. No. 3. Pp. 3-12.
8. Luke R. V., Domburg G. E., Veveris G. P. Termicheskii analiz strukturnykh modifikatsii tsellyulozy [Thermal analysis of cellulose structural modifications]. Khimiya drevesiny - Wood Chemistry. 1989. No. 3. Pp. 20-23.
9. Skurydin Yu. G., Nasonov A. D. Dinamicheskie mekhanicheskie svoistva listvennykh porod drevesiny [Dynamic mechanical properties of hardwood]. Ul'trazvuk i termodinamicheskie svoistva veshchestva - Ultrasound and thermodynamic properties of substances. 2003. V. 29. Pp. 49-53.
