Экспериментальные исследования термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 674.04

Р. Р. Сафин, Е. А. Белякова ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ГИДРОФОБНЫХ ЖИДКОСТЯХ

Ключевые слова: термомодифицированная древесина, физико-механические свойства, коэффициент усушки

древесины, пропитываемость.

В статье представлены исследования влияния режимов высокотемпературной обработки на свойства термомодифицированной древесины, подтверждающие улучшенные характеристики получаемого материала по сравнению с традиционными.

Keywords: the thermo modified wood, physic mechanical properties, factor of shrinkage of wood, impregnability

In article researches of influence of modes of high-temperature processing on the properties of the thermo modified wood confirming improved characteristics of the received material in comparison with traditional are presented.

Технология морения древесины термомодифицированием в жидкостях является на сегодняшний день перспективным направлением в области художественной и имитационной обработки древесины, что подтверждают результаты теоретических и экспериментальных исследований. Данный метод позволяет не только значительно интенсифицировать процесс обработки по сравнению с традиционными технологиями, но и повысить качественные характеристики получаемого материала, а также улучшить его эстетические и экологические свойства.

Для проведения процесса морения древесины термомодифицированием в жидкостях была разработана установка, представленная на рис. 1, состоящая из герметичной камеры, содержащей термоэлектрический нагреватель и сетчатый держатель для пиломатериалов, подвергающихся тепловой обработке. Камера дополнительно сообщается с линией вакуумирования, включающей конденсатор и вакуумный насос.

Рис. 1 - Общий вид экспериментальной установки для сушки и морения древесины термомодифицированием в жидкости

Установка работает следующим образом: древесину помещают в сетчатый держатель и опускают в жидкость с температурой вспышки более 260°С, затем жидкую среду постепенно нагревают до температуры 180 - 240 оС в течении 2-3ч при давлении, не превышающем атмосферное значение (температура нагрева контролируется с помощью термопары

установленной в камере и щитка управления), после повышения температуры пиломатериала до заданного значения осуществляют его выдержку в жидкой среде в течение 2-4ч в зависимости от породы и толщины пиломатериала, при достижении необходимой степени морения производят подъем сетчатого держателя таким образом, что бы он оказался в свободном от жидкости пространстве камеры, после чего там создают вакуум и выдерживают древесину в течении 2-3 часов, после стадии охлаждения мореную древесину выгружают из герметичной камеры.

Применение стадии вакуумирования после термообработки древесины направлено на снижение температуры материала до 120 - 130оС и на предотвращение самопроизвольного возгорания древесины при заданных высоких температурных режимах. Применение стадии окончательной выдержки древесины направлено на охлаждение пиломатериала и исключение развития значительных внутренних напряжений и больших остаточных деформаций в нем, а также на удаление жидкого агента обработки из внутренних полостей клеток древесины [1, 2].

В таблице 1 представлены результаты экспериментальных исследований по кинетике убыли массы образцов древесины дуба в процессе термомодифицирования, из которых видно, что повышение температуры вызывает интенсификацию процесса обработки.

Таблица 1 - Кинетика относительной массы образцов древесины дуба при различной температуре (К) обработки

Время, час Температура обработки, К

453 473 493 513

2 0,89 0,87 0,85 0,82

4 0,83 0,81 0,78 0,74

6 0,78 0,76 0,73 0,69

В результате компьютерной обработки данных результатов получено математическое выражение, характеризующее убыль относительной массы дубового образца толщиной 50 мм

т/тнач = 4582,41-2223,89!п(Т)-33,49т + 359,82!п(Т))2-0,42т 2 +

+ 11,27 х !п(Т)-19,41(!п(Т))3-0,002т 3 + 0,07т 2!п(Т)-0,95(!п(Т))2

Образцы древесины также были исследованы на глубину пропитки гидрофобной жидкостью в зависимости от режима обработки. Полученные результаты, представленные в таблице 2, показывают, что с увеличением температуры агента глубина проникновения пропитывающей жидкости внутрь образца увеличивается.

Таблица 2 - Глубина пропитки (мм) образцов древесины дуба при различной температуре (К) обработки

Время, час Температура обработки, К

453 473 493 513

2 2,5 3,5 4,5 5,5

4 3,5 4,5 5,5 6,5

6 4,0 5,0 6,0 7,0

На рис.2 представлены экспериментальные кинетические кривые суммарного потока пропитывающей жидкости и летучих веществ удаляемых из древесины - продуктов разложения в зависимости от температуры обработки и толщины материала.

-а

н

о

о

гь

§

О

к

еа

И

на

н

о

о

&-

§

и

—Т=453К -■ -Т=473 К —а...1=493 К Т=513 К

Время, час

а

—*—40 -■ -50

60

Время, час б

Рис. 2 - Изменение потока пропитывающей древесину жидкости и летучих веществ (продуктов разложения древесины) в зависимости от температуры обработки (а) и толщины пиломатериала (б)

Из графиков видно, что:

- стадия прогрева характеризуется равномерной интенсивностью пропитывающего потока, отличия наблюдаются при различной толщине пиломатериала, чем материал тоньше, тем меньше времени требуется для его прогрева;

- стадия термомодифицирования пиломатериала толщиной 50 мм в среднем длиться около двух часов, при этом для температур 453К и 473К характерно преобладание потока пропитывающей жидкости, а для температур 493К и 513К - характерно уменьшение величина потока пропитывающей жидкости по сравнению с потоком летучих веществ (продуктов разложения) удаляемых из древесины, это можно объяснить тем, что при высоких температурах происходит значительная интенсификация процесса разложения древесины.

Для определения влияния термообработки на основные физико-механические свойства (плотность, ударная твердость, прочность при сжатии) термомодифицированной древесины как отделочного материала были проведены экспериментальные исследования, результаты которых представлены в таблице 3, они подтверждают снижение данных показателей при высокотемпературной и продолжительной обработке, что косвенно подтверждают результаты проведенных исследований изменения средней плотности пиломатериала [3].

Таблица 3 - Изменение физико-механических показателей древесины дуба в процессе термомодифицирования в жидкостях

Время, час Плотность, кг/м3 2 Ударная твердость, Дж/см Прочность при сжатии, МПа

Температура, К

453 473 493 513 453 473 493 513 453 473 493 513

0 707 707 707 707 1,23 1,23 1,23 1,23 55,07 55,07 55,07 55,07

2 670 654 632 595 1,13 1,05 0,97 0,90 50,17 48,07 45,11 40,30

4 669 650 626 592 1,05 0,97 0,90 0,84 50,03 47,47 44,37 39,92

6 667 645 622 590 0,97 0,90 0,84 0,78 49,86 46,85 43,82 39,61

Так же для определения радиальной, тангенциальной и объемной усушки термомодифицированной древесины дуба были проведены испытания согласно ГОСТ 16483.37-80 и ГОСТ 16483.38-80 на образцах в виде четырехгранных прямоугольных призм с основанием 20х20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм [4].

Результаты испытаний, представленные на рис. 3, позволяют сделать следующие выводы:

- коэффициент усушки Кь уменьшается пропорционально увеличению температуры обработки древесины дуба;

- при максимальной температуре обработки наблюдается уменьшение значения коэффициента усушки Кь в три раза по сравнению с традиционными режимами сушки древесины дуба;

- при максимальной температуре обработки, позволяющей получать промышленный мореный дуб, наблюдается уменьшение значения коэффициента усушки Кь в пять раз по сравнению с натуральным мореным дубом.

Рис. 3 - Кривая изменения коэффициента объемной (КъУ), тангенциальной (Км), радиальной (КЬг) усушки древесины дуба при разных способах обработки

Результаты исследований подтверждают целесообразность использования предлагаемой технологии морения древесины термомодифицированием в жидкости в условиях малых предприятий. Технико-экономический анализ выявил, что данная технология позволяет не только сократить энергозатраты за счет интенсификации процесса обработки, но

244

и повысить качественные показатели получаемого материала, улучшив его эстетические и

экологические свойства.

Литература

1. Сафин, Р.Р. Исследование совмещенной сушки-пропитки массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов, Р.М. Иманаев // Вест. казан.

гос. техн. ун-та. - 2006. - №6. - С.78-85.

2. Шубин, Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г.С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 336 с.

3. Кислицин, А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы / А.Н. Кислицин. -М.: Лесная промышленность, 1990. - 311 с.

4. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: Учебник для лесотехнических вузов / Б.Н. Уголев. - М.:МГУЛ, 2001.-340 с.

© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, Е. А. Белякова - асс. той же кафедры, [email protected].

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 10.05.11 по 15.06.11.