CC BY
29
УДК 674.047
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 4. С. 350-354
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОЛЛОИДНОЙ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ДРЕВЕСИНЫ
А. Г. Гороховский, Е. Е. Шишкина, В. В. Савина
Уральский государственный лесотехнический университет Российская Федерация, 620100, Екатеринбург, Сибирский тракт, 37 E-mail: elenashishkina@yandex.ru
Моделирование процессов гидротермической обработки древесины обычно осуществляется на математических моделях, представляющих собой системы дифференциальных уравнений тепломассообмена. При этом их корректное решение возможно только с учетом физико-химической механики взаимодействия древесины с водой. Поскольку в свете современных представлений теории сушки древесина является коллоидным капиллярно-пористым телом, то физическое моделирование представляется перспективным инструментом для реализации конкретного подхода к анализу процессов гидротермической обработки древесины. Наиболее важным при этом является практическая возможность аналитического определения как величины параметров влагопереноса в самой древесине, так и характеристик её внешнего влагообмена. Весьма сложными и вместе с тем малоизученными являются процессы взаимодействия влаги с клеточными стенками древесины.
При анализе процессов взаимодействия древесины с водой исследователями был предложен целый ряд моделей пористой структуры древесины с постоянными капиллярами различной формы сечения. Однако моделей для клеточной стенки с учетом ее коллоидной природы предложено не было. Следовательно, необходимость разработки такой модели очевидна.
В предложенной физической модели коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины удалось в значительной степени учесть и коллоидную природу клеточных стенок. В основу физической модели коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины положен ряд однозначно трактуемых принципов и допущений. Дана методика определения как эквивалентного радиуса непостоянных капилляров, так и внутренней поверхности клеточной стенки. Произведен расчет параметров моделей для древесины наиболее распространенных в России пород. Важным при этом является то, что структура полученных моделей позволяет охватывать широкий диапазон влажности древесины, что представляет особый интерес при решении практических задач гидротермической обработки древесины.
Ключевые слова: сушка древесины, тепломассообмен, структура древесины, взаимодействж влаги с клеточными стенками древесины, модель коллоидного капиллярно-пористого тела.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 4, P. 350-354
THE PHYSICAL ANALOGUE OF THE COLLOID CAPILLARY-POROSITY
STRUCTURE OF WOOD
A. G. Gorokhovsky, E. E. Shishkina, V. V. Savina
Ural State Forest Engineering University 37, Siberian Tract Str., Yekaterinburg, 620100, Russian Federation E-mail: elenashishkina@yandex.ru
Simulation of the steaming treatment processes usually bring about mathematics models are partial differential equations of heat and mass transfer. In this case the correct solution is possible only with regard for the physicochemi-cal mechanics of the interaction between wood and water. Since in the modern ideas of the theory of drying wood is the colloid capillary-porosity body, so the physical analogue is the perspective instrument for the realization of the concrete proposal for analysis of processes of the steaming treatment of wood. Here the most important is the practically possibility for the analytical determination of the quantity parameters a transfer of the moisture in wood and also determination of the characteristics of the external exchange of the moisture of wood. The processes of interaction of the moisture with of the sell walls of wood are the most difficult and little learning.
During the analysis of the processes of the interaction between wood and water researchers were offered some models of the porous structure of wood with constant capillaries which have to different forms of their sections. However had not been introduced the models for a cell wall with consideration to her of colloidal nature. Therefore, the need to develop this model is obvious.
In the proposed physical model of the colloid capillary-porosity structure of wood us succeeded in take a colloid nature of the sell walls. Some synonymous interpreted principles and assumptions have been assumed as a basis for the
physical model of the capillary porous structure of wood. In this article is proposed methodology of definition of the inner surface cell wall and the equivalent radius of the unstable capillaries. The calculation of the parameters of models has been made for the most popular breeds in Russia. The most important is that structure this models allows to cover a wide range of wood moisture and it have a special interest for solving practical tasks of the steaming treatment of wood.
Keywords: drying of wood, heat and mass transfer, structure of wood, interaction of the moisture with of the sell walls of wood, model of the colloid capillary-porosity body.
ВВЕДЕНИЕ
Моделирование различных явлений широко используется в различных областях техники как наиболее прогрессивный метод исследования поведения объектов с применением современных методов компьютерного анализа. Не являются исключением в этом смысле и технологические процессы обработки древесины, в частности ее сушки, а также другие процессы гидротермической обработки.
Б. С. Чудинов в этой связи отмечал, что взаимодействие древесины с водой определяет характер и закономерности процессов ее увлажнения и сушки, влажностных деформаций, замораживания и оттаивания, пропитки и многих других [1].
Современный анализ процессов гидротермической обработки древесины обычно реализуется на известных моделях тепломассообмена [2] с обязательным учетом форм связи влаги с подвергающимся гидротермической обработке веществом и его физико-химической механики.
В соответствии с принятой в теории сушки классификацией тел [2], древесина в целом является коллоидным капиллярно -пористым телом, т. е. гидрофильным, ограниченно набухающим гелем, содержащем в сухом состоянии капилляры или поры заполненные воздухом.
Древесину лиственных пород, безусловно, можно считать капиллярно-пористым телом из-за наличия в ней сосудов с относительно крупными радиусами, тогда как древесина хвойных в этом отношении ближе к капиллярным телам, так как радиус полостей клеток в ней достаточно мал. Однако принято считать капиллярно-пористым телом древесину любой породы [3]. Что касается отдельно взятой клеточной стенки, то ее природа в теории сушки не обсуждается. В то же время, по мнению Б. С. Чудинова [1]: «взаимодействие ее (клеточной стенки) с водой, а также его механизм могут быть поняты и объяснены лишь при отнесении клеточной стенки к тому классу тел, который соответствует ее природе».
При анализе процессов взаимодействия древесины с водой Б. С. Чудинов [1; 4] предложил ряд моделей пористой структуры древесины с постоянными капиллярами различной формы сечения. Однако моделей для клеточной стенки с учетом ее коллоидной природы предложено не было. Следовательно, необходимость разработки такой модели очевидна.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Воду в древесине, как и в других капиллярно-пористых телах, разделяют на две крупные фракции -свободную и связанную. Свободная вода находится
в макрокапиллярах, т. е. в порах и капиллярах с радиусом более 10-7м [2]. Расположенная в капиллярах меньшего размера влага относится к связанной. По существу, понятия связанной воды также трактует и древесиноведение: это гигроскопическая влага, сорбированная абсолютно сухой древесиной [5], а именно ее клеточной стенкой.
Имеется достаточно оснований [6] для отнесения клеточной стенки древесины к классу не пористых коллоидных тел: объем капилляров в сухой клеточной стенке ничтожно мал, при поглощении воды она разбухает, приращение ее объема при этом практически равно объему поглощенной воды, структура ее в набухшем состоянии приобретает высокую дисперсность, и внутренняя поверхность резко возрастает, достигая в набухшей древесине 200-300 м2/г древесного вещества, тогда как в сухой древесине она составляет лишь десятые доли м2/г. При этом абсолютно сухая клеточная стенка находится не в коллоидном, а в застеклованном состоянии, поскольку в отсутствии воды не может быть коллоидной системы.
Плотность древесинного вещества определяет многие свойства не только клеточной стенки, но и самой древесины. Стамм, Уилфонт, Б. Н. Уголев и другие исследователи [2] рекомендуют принимать плотность древесинного вещества р8 = 1,53 г/ см3 независимо от породы древесины.
Плотность абсолютно сухой клеточной стенки (рс) рассчитывается по ее пористости, выраженной в долях объема (Пс) и рс по формуле
рс = р8(1 - Пс). (1)
Согласно весьма обстоятельным исследованиям К М. КеИо^ С. В. Sastry и R. W. Wellwood [7] показали следующие значения Пс древесины:
- по 13 лиственным породам - 0,0334 (от 0,0158 до 0,0482);
- по 5 хвойным породам - 0,0206 (от 0,0190 до 0,0244).
Таким образом, в большинстве практических случаев можно принять Пс ~ 0.
Ряд ученых [1; 3; 8; 9] являются сторонниками коллоидной природы влажных клеточных стенок древесины и при этом считают, что основным носителем сорбционных свойств древесины является система так называемых, «непостоянных» капилляров клеточных стенок, обладающая во много раз большей удельной поверхностью чем «постоянные» капилляры. При дальнейшем увлажнении их размеры увеличиваются, приобретая максимальную величину при влажности вблизи предела насыщения клеточных стенок. При десорбции воды непостоянные капилляры в клеточных стенках не опустошаются, а постепенно сужива-
ются до полного их исчезновения в абсолютно сухом состоянии. По мнению Б. С. Чудинова [1] цилиндрическая форма непостоянных капилляров в клеточной стенке древесины исключена. Из простых (идеализированных) моделей и их форме наиболее близка модель плоских капилляров с параллельными стенками. Основной объем микрокапилляров в набухшей клеточной стенке составляют каналы между микрофибриллами, имеющие размер поперечного сечения не более 2-3 нм. Данные каналы сообщаются между собой и имеют выход на поверхность стенки, образуя единую пространственную структуру.
Важным, но не до конца решенным является вопрос о размере непостоянных капилляров и его зависимости от влажности древесины.
П. Н. Одинцов и П. П. Эриньш [9] обнаружим слабо выраженный максимум непостоянных капилляров с радиусами 2,2-2,5 нм при сорбции паров Н-гексана древесиной.
По расчетам A. J. Stamm и W. E. Smith [10] максимальное число адсорбированных слоев воды на внутренних поверхностях целлюлозных материалов (в том числе древесины) составляет от 5 до 7, что соответствует радиусу капилляров от 1,9 до 2,4 нм.
Н. Н. Федякин для коллоидных капиллярно-пористых материалов также называет цифру 2,5 нм [11]. Б. С. Чудинов [1] на основании этого принимает максимальный радиус непостоянных капилляров в клеточной стенке древесины, находящейся в равновесии с насыщенным воздухом при температуре 0 °С равным 2,5 нм.
Известно [1], что при влажности древесины до 5 % вся влага в ней находится в мономолекулярных слоях, молекулы в которых стоят в водородной связи с гид-роксильными группами древесинного вещества, т. е. контрактированы. Тогда радиус постоянных капилляров при W = 5 % равен радиусу контрактированной молекулы воды в монослое, т. е. примерно гк = 0,15 нм. Экстраполируя эти данные Б. С. Чудинов получил следующие значения максимального радиуса непостоянных капилляров в клеточной стенке в зависимости от температуры древесины, влажность которой равна WII.r:
t, °C 0 20 40 60 80 100
^, нм 2,5 2,44 2,30 2,15 1,94 1,68
Указанные значения радиуса является максимальным, а средние существенно меньше. Так, для / = 20 °С. Б. С. Чудинов [1] приводит значение гк = 1,3 нм. При этом он отмечает условность полученных значений гк. В клеточной стенке есть капилляры радиусом от 0,15 нм (монослой) до 30-35 нм. Однако важно то, что объемная доля капилляров как минимального, так и максимального радиуса в стенках клеток незначительна по сравнению с объемной долей непостоянных капилляров, содержащих основную массу воды полимолекулярной адсорбции.
Изложенные выше данные легли в основу концептуального подхода к физическому моделированию строения древесины как коллоидного капиллярно-пористого тела.
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В основу физической модели коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины положены следующие принципы [3]:
1. Свободная влага располагается в системе макрокапилляров, а связанная - в системе микрокапилляров (в клеточной стенке).
2. Система макрокапилляров древесины моделируется следующими анатомическими элементами:
- хвойные породы - ранние и поздние трахеиды;
- лиственные породы - сосуды (с учетом сердцевинных лучей) и древесные волокна.
3. Система непостоянных микрокапилляров представляет собой совокупность неопределенной формы отверстий в клеточных стенках древесины, эквивалентный радиус которых функционально зависит от влажности древесины в гигроскопической области.
гк = -8,2■l0rвWA + 5,537■l(ГAWъ -
- 0,013^2 + 0,159W, (2)
где Ж - влажность древесины, %.
4. К допущениям при моделировании относится то, что пористость клеточной стенки пропорциональна базисной плотности древесины.
5. Расчет параметров модели производится на объем древесины 1 см3 в абсолютно сухом состоянии, с площадью торца 1 см2.
Расчет внутренней поверхности клеточной стенки для каждой породы древесины производился по формуле
^ = 0,5рб, м2, (3)
где рб - базисная плотность древесины, кг/м3, которая для древесины следующих пород имеет значения: сосна - 400 кг/м3; лиственница - 550 кг/м3; береза -500 кг/м3, дуб - 570 кг/м3.
Результаты расчета параметров моделей коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины приведены в табл. 1-4.
ВЫВОДЫ
1. Структура полученных моделей позволяет охватывать широкий диапазон влажности древесины различных пород, от 5 до 120-160 %.
2. Пористость древесины на моделях на 7-11 % меньше, чем по различным экспериментальным данным, приводимым в литературе, однако это не снижает достоверность моделирования.
3. Модели пригодны для аналитического определения параметров массопереноса для древесины различных пород.
Таблица 1
Параметры моделей коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины. Порода - сосна
Элемент структуры Занимаемая площадь, см2 Количество, см-1 Внутренняя поверхность, м2 Площадь сечения капилляра, см2 Суммарная площадь сечений капилляров, см2 Суммарный объем капилляров, см3 Пористость, % Максимальная влажность, %
Ранние трахеиды 0,59 0,37 ■ 105 0,052 1,225 ■ 10-5 0,45 0,045 - 112,5
Поздние трахеиды 0,25 0,63 105 0,025 10-6 0,063 0,063 - 15,5
Итого 0,84 0,077 - 0,513 0,513 61 128
Клеточная стенка 0,327 2,45 -1012 200* 5,310-14* 0,13* 0,13* 40 32,4
Всего - 200,77 160,4
Примечание. * - максимальное значение при =
Таблица 2
Параметры моделей коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины. Порода - лиственница
Элемент структуры Занимаемая площадь, см2 Количество, см-1 Внутренняя поверхность, м2 Площадь сечения капилляра, см2 Суммарная площадь сечений капилляров, см2 Суммарный объем капилляров, см3 Пористость, % Максимальная влажность, %
Ранние трахеиды 0,48 0,3 ■ 105 0,042 1,225 ■ 10-5 0,367 0,367 - 66,7
Поздние трахеиды 0,4 105 0,040 10-6 0,1 0,1 - 18,3
Итого 0,88 - 0,467 0,467 53 85
Клеточная стенка 0,413 3,37-1012 275* 5,3 ■ 10-14* 0,18* 0,18* 43,5* 32,4
Всего - 117,4
Примечание. * - максимальное значение при = Шиг.
Таблица 3
Параметры моделей коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины. Порода - береза
Элемент структуры Занимаемая площадь, см2 Количество, см-1 Внутренняя поверхность, м2 Площадь сечения капилляра, см2 Суммарная площадь сечений капилляров, см2 Суммарный объем капилляров, см3 Пористость, % Максимальная влажность, %
Древесные сосуды 0,4 103 0,6 10-4 3,1410-4 0,314 0,314 62,8
Волокна 0,58 2,58 ■ 105 0,0825 0,64 ■ 10-6 0,165 0,165 33,0
Итого 0,98 - 0,0826 - - - 47,9 95,8
Клеточная стенка 0,299 3,06 ■ 1012 250* 5,310-14* 0,162* 0,162* 32,3 32,4
Всего 250,826 128,2
Примечание. * - максимальное значение при = Шпт.
Таблица 4
Параметры моделей коллоидной капиллярно-пористой структуры древесины. Порода - дуб
Элемент структуры Занимаемая площадь, см2 Количество, см-1 Внутренняя поверхность, м2 Площадь сечения капилляра, см2 Суммарная площадь сечений капилляров, см2 Суммарный объем капилляров, см3 Пористость, % Максимальная влажность, %
Древесные сосуды 0,5 1,25 ■ 103 0,8 ■ 10-4 3,14 ■ 10-4 0,392 0,392 68,8
Волокна 0,48 2,13 ■ 105 0,0682 0,64 ■ 10-6 0,136 0,136 23,8
Итого 0,98 - 0,0683 - - - 52,8 92,6
Клеточная стенка 0,452 3,49 ■ 1012 285* 5,3 ■ 10-14* 0,185* 0,185* 40,9 32,4
Всего 285,683 125,0
Примечание. * - максимальное значение при Wдр = Wnr.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Чудинов Б. С. Вода в древесине : монография. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1984. 270 с.
2. Лыков А. В. Теория сушки : учеб. пособие. М. : Энергия, 1968. 470с.
3. Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е., Удачина О. А. Модели влагопереноса в коллоидной капиллярно-пористой структуре древесины // Актуальные проблемы лесного комплекса, 2008. № 21-3. С. 235-239.
4. Чудинов Б. С. Вода в клеточной стенке древесины / СО АН СССР. Красноярск, 1978. 44 с.
5. Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М. : Лесн. пром-сть, 1975. 384 с.
6. Гороховский А. Г. Технология сушки пиломатериалов на основе моделирования и оптимизации процессов тепломассопереноса в древесине : дис. ... д-ра техн. наук / СПбГЛТА им. С. М. Кирова. СПб., 2008. 263 с.
7. Kellog R. M., Sastry С. В., Wellwood R. W. Relationship between cell-wall composition and cell-well density // Wood and Fiber. 1975. Vol. 7. P. 170-177.
8. Колосовская Е. А., Лоскутов С. Р., Чудинов Б. С. Физические основы взаимодействия древесины с водой. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1989. 215 с.
9. Одинцов П. Н., Эриньш П. П. Клеточная стенка древесины и ее изменения при химическом воздействии. Рига : Зинатне, 1972. 501 с.
10. Stamm A. J., Smith W. E. Laminar sorption and swelling theory for wood and cellulose // Wood Sci. and Techn. 1969. Vol. 3, P. 301-323.
11. Федякин Н. Н. Смачивание сорбционных слоев // Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах. М.-Л. 1957. Вып. 8. С. 42-46.
REFERENCES
1. Chudinov B. S. Water in wood : monograph. Novosibirsk, Science. Siberian branch, 1984, 270 p.
2. Lykov A. V. Theory of drying : textbook. Moscow, Energy, 1968, 470 p.
3. Gorokhovsky A. G., Shishkina E. E., Udachina O. A. The model of a moisture transfer in colloidal capillary-porous structure of wood // Actual problems of forestry, 2008, No. 21-3, P. 235-239.
4. Chudinov B. S. Water in the cell wall of wood / Academy of Sciences of the USSR. Krasnoyarsk, 1978, 44 p.
5. Ugolev B. N. Woodscience with the basics of forest commodity. Moscow, Lesn. prom., 1975, 384 p.
6. Gorokhovsky A. G. Technology of timber drying on the basis of modeling and optimization of heat and mass transfer processes in wood : dis. dr. techn. sciences / SPbGLTA im. S. M. Kirova, St. Petersburg, 2008, 263 p.
7. Kellog R. M., Sastry С. В., Wellwood R. W. Relationship between cell-wall composition and cell-well density // Wood and Fiber. 1975, Vol. 7, P. 170-177.
8. Kolosovskaya E. A., Loskutov S. R., Chudinov B. S. Physical bases of interaction of wood with water. Novosibirsk, Science. Siberian branch, 1989, 215 p.
9. Odintsov P. N., Erinsh P. P. Cell wall of wood and its changes during the chemical exposure. Riga, Zinatne, 1972, 501 p.
10. Stamm A. J., Smith W. E. Laminar sorption and swelling theory for wood and cellulose // Wood Sci. and Techn. 1969, Vol. 3, P. 301-323.
11. Fedyakin N. N. Wetting of sorption layers // Heat and mass transfer in capillary-porous bodies. Moscow-Leningrad, 1957, Vol. 8, P. 42-46.
© Гороховский А. Г., Шишкина Е. Е., Савина В. В., 2018
Поступила в редакцию 28.06.2018 Принята к печати 31.08.2018
