CC BY
91
УДК 674.047.3: 66.047.2.001.73
А. Е. Разумов, М. В. Хузеев, Д. А. Ахметова,
А. Р. Шайхутдинова
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Ключевые слова: древесина, термомодификация, твердость, прочность на изгиб.
В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований механических свойств термомодифицированной древесины (ударной твердости и прочности при статическом изгибе), характеризующие изменение данных показателей при высокотемпературной обработке.
Keywords: wood, heat-treatment of wood, hardness, bending strength.
Experimental researches of mechanical properties of the thermomodified wood (shock hardness and a static bending strength), characterizing decrease in the given indicators at high temperature and long thermal processing, are resulted in the given work.
В последнее время наблюдается возрастающий интерес к улучшению качества пиломатериалов при помощи термообработки [1]. На базе кафедр КНИТУ «Переработка древесных материалов» и «Архитектура и дизайн изделий из древесины» ведутся активные научные исследования по термомодифицированию древесных материалов и изучению свойств термодревесины [2,3].
Исследование химического состава древесины, подвергшейся термомодифицированию, доказало наличие у полученного материала повышенной стойкости к биологическим
разрушениям и гниению. Также, принимая во внимание сохраняющуюся после термообработки текстуру натурального дерева, наиболее
рациональной формой эксплуатации термодревесины является использование её в виде отделочного материала, в связи с чем появляется необходимость исследования влияния тепловой обработки на основные механические свойства термически обработанной древесины как материала для отделки: твердости и прочности при статическом изгибе.
Для определения влияния термической обработки материала на твердость древесины были проведены экспериментальные исследования. Испытанию на определение ударной твердости подверглись образцы термомодифицированной сосны в виде доски (базисное сечение 20 х 50 мм), длиной вдоль волокон 150 мм и влажностью 6 - 7 %. За меру ударной твердости принимался размер отпечатка, остающегося на поверхности образца древесины, появляющегося в результате удара стального шарика диаметром 25 ^ 0,05 мм, свободно падающего с заданной высоты. Опыты проводились при комнатной температуре 20 °С.
Исследования проводились на устройстве, позволяющем определить ударную твердость древесины, состоящем из стойки, держателя, стального шарика диаметром 25 + 0,05 мм, прижимного устройства и опорной плиты. На образец сверху накладывалась копировальная бумага, затем он плотно прижимался к опорной плите. Стальной шарик сбрасывался с высоты 500 + 1 мм на
радиальную поверхность образца в трех точках. Расстояние между центрами отпечатков составляло 40 + 5 мм. Отпечатки имели овальную форму, из которых больший отпечаток диаметром направлен поперек волокон, меньший d2- вдоль волокон. Диаметры отпечатков d1 и d2измерялись с помощью измерительной лупы.
Величина ударной твердости при данной влажности материала после проведения эксперимента измерялась по формуле
Ну = , (1)
у d1 • d2
где И - высота падения стального шарика, м; в - вес шарика; ^, ^ - размеры отпечатков поперек и вдоль волокон, в см.
На рис. 1. в графическом виде изображены результаты экспериментальных исследований, которые говорят о снижении ударной твердости термомодифицированной сосны, находящейся под воздействием температуры 220°С.
Рис. 1 - Зависимость ударной твердости сосны от продолжительности тепловой обработки
Результаты по определению коэффициента неоднородности ударной твердости термодревесины сосны Кр. свидетельствуют о том, что наиболее значительное снижение ударной твердости происходит в направлении поперек волокон древесины (рис. 2). При этом основную роль в
изменении ударной твердости играет время температурного воздействия.
Рис. 2 - Зависимость коэффициента
неоднородности ударной твердости сосны от продолжительности тепловой обработки
В результате термомодификации древесины происходит изменение формы отпечатка, которое представлено на рис. 3. Как видно из рисунка, большой диаметр овального отпечатка до проведения термической обработки древесины совпадал с направлением волокон и намного превосходил по размеру меньший диаметр. После термообработки диаметр, направленный поперек волокон, значительно увеличился в размерах, что и вызвало снижение коэффициента неоднородности ударной твердости.
Рис. 3 - Изменение формы опечатка при
определении ударной твердости древесины до и после термомодифицирования
Известно, что прочность древесины зависит в основном от ее породы, температуры и влажности [4]. При термомодифицировании влажность и температура древесины изменяются, в связи с чем ее прочность тоже не остается постоянной. Изменения прочности, связанные с влажностью, обратимы, т.е. при увлажнении сухой древесины снижается ее прочность, а при последующем высушивании прежние прочностные показатели полностью восстанавливаются.
К снижению прочности древесины приводит повышение температуры обработки, при этом воздействие на древесину температуры ниже 60 °С не снижает ее эксплуатационную прочность независимо от длительности сушки. Влияние более высокой температуры начинает сказываться, если продолжительность сушки при Т = 80°С превышает 40-50 ч., а при Т = 120°С - 2-3 ч. [5, 6].
Если кратковременное воздействие не слишком высокой температуры дает обратимые
изменения прочности, то в результате длительного влияния высоких температур в древесине происходят необратимые процессы, приводящие к изменению ее прочностных показателей при последующей эксплуатации.
Для исследования прочности термодревесины при статическом изгибе использовалось испытательное приспособление, состоящее из двух опор и нажимного ножа, имеющих закругления радиусом 30 мм. Расстояние между центрами опор составляло 240 мм.
Испытанию подверглись образцы древесины сосны в форме бруска размерами 20 х 20 х 300 мм, которые в течение 7 суток до начала эксперимента были выдержаны в эксикаторе для достижения равномерной влажности 12%. Образец древесины шириной Ь в радиальном и высотой И в тангенциальном направлении располагался на двух опорах, после чего нагружался сверху посередине пролета. Средняя скорость нагружения расчитывалась так, чтобы время разрушения образца составляло 1 - 2 мин. После окончания проведения испытаний в испытательной машине происходил полный излом образца древесины. Определив максимальную нагрузку Ртах, вычисляли предел прочности термообработанной древесины по следующей формуле
Р__ • I
а • Ь2
(2)
где Ртах - максимальная нагрузка; I - расстояние между опорами, на которых располагался образец древесины, мм; а - длина и ширина образца, м; Ь -размер поперечного сечения образца в направлении действующей нагрузки, м. Результаты вычислений округлялись до 1 МПа.
На рис. 4. представлены результаты
проведенных испытаний, которые показывают, что при повышении температуры и длительности обработки происходит значительное снижение предела прочности древесины при статическом изгибе.
Рис. 4 - Зависимость изменения предела прочности древесины сосны на изгиб от времени тепловой обработки
После значительного нагрева наиболее резко снижается прочность древесины при раскалывании,
СТизг -
она становится более хрупкой. Понижается и значение гигроскопичности древесины, подвергнутой термическому воздействию.
Литература
1. Шайхутдинова, А.Р. Вакуумно-конвективное термомодифцирование древесины в среде перегретого пара / Р.Р.Сафин, Р.Г.Сафин // Вестник Казан. технол. унта. - 2011/ - N 14,- №6. - С.93-100.
2. Сафин, Р.Р. Вакуумно-конвективная сушка
пиломатериалов: монография. / Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасаншин, Е. Ю. Разумов. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. - 2009.-259 с.
3. Сафин, Р.Р. Исследование вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины/ А.Д.Ахметова, Е.Ю.Разумов, М.К.Герасимов. // Деревообрабатывающая
промышленность.- 2009. № 3. С. 24-25.
4. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения.- М:. Лесн. пром-сть, 1986. - 353 с.
5. Ахметова, Д.А. Влияние термообработки на сорбционные
характеристики древесины // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» / Р.Р.Сафин, Д.Ф.
Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев. - Вологда: ВоГТУ, 2008. - С. 219-220.
6. Ахметова, Д.А. Термомодификация древесины при кондуктивном подводе тепла в герметичных условиях / Н. Ф. Тимербаев, Д. Ф. Зиатдинова // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. - 2008. - Т. 51. - Вып. 7. - С. 76-78.
© Е. Ю. Разумов - канд. техн. наук, докторант каф. архитектуры и дизайн изделий из древесины КНИТУ; М. В. Хузеев - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии высокомолекулярных соединений КНИТУ; Д. А. Ахметова - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ; А. Р. Шайхутдинова - асс. той же кафедры, [email protected].
