CC BY
35
DOI: 12737/21683 УДК 630*812
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ЭФФЕКТЕ ПАМЯТИ ФОРМЫ
кандидат технических наук Г. А. Горбачева 1 доктор технических наук, профессор В. Г. Санаев1 С. Ю. Белковский1
1- ФГБОУ ВО «Московский государственный университет леса», г. Мытищи, Российская Федерация
Возможность придания комплекса заданных свойств при создании новых нанобиокомпозитных материалов на основе древесины требует исследования величины удельной поверхности. В работе рассмотрено изменение удельной поверхности древесины при различных проявлениях эффекта памяти формы. Исследования проводились с использованием сорбционного анализатора удельной поверхности и распределения пор по размерам Quadrasorb SI. Удельную поверхность образцов Буд , см2/г, находили по низкотемпературной адсорбции криптона при температуре жидкого азота (77 К) и рассчитывали по методу Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ). Исследовались образцы строганого шпона из древесины бука, сосны, дуба и лущеного шпона из древесины березы. Для каждой древесной породы в опытах использовались 3 типа образцов - постоянной, временной и восстановленной формы. Экспериментально исследованы показатели эффекта памяти формы R (доля обратимых деформаций) и Rf (доля фиксированных деформаций), деформационные превращения и величина удельной поверхности древесины. Для всех исследованных образцов характерны высокие значения показателя Rf, отражающего способность запоминать временную форму. Наибольшие изменения удельной поверхности при образовании временной формы и восстановлении исходной формы наблюдались для древесины бука. Величина показателя R, который отражает степень восстановления постоянной формы образца, для древесины бука и березы имеет близкие значения. Удельная поверхность образцов древесины бука и березы после возвращения в исходные физические условия практически полностью восстанавливается. Проведенные исследования удельной поверхности древесины методом низкомолекулярной адсорбции криптона позволяют провести оценку изменений структуры при различных проявлениях эффекта памяти формы.
Ключевые слова: эффект памяти формы древесины, удельная поверхность древесины, метод Брунау-эра-Эмметта-Теллера
CHARACTERIZATION OF SPECIFIC WOOD SURFACE AT SHAPE MEMORY EFFECT
PhD in Engineering G. A. Gorbacheva1 DSc in Engineering, Professor V. G. Sanaev1 S. Yu. Belkovskiy1
1 - Federal State Budget Educational University of Higher Education «Moscow State Forest University»,
Mytischi, Russian Federation
Abstract
The possibility of giving a set of specified properties at creating new nanobiocomposite materials based on wood requires the research of specific surface. The change of the specific wood surface at the shape memory effect is considered in this paper. The study was conducted using sorptive analyzer of specific surface and distribution of pores according to the size of Quadrasorb SI. Specific surface of samples SSA, ™2/g, was found by the low-temperature adsorption of krypton at liquid nitrogen temperature (77K) and was calculated by the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. The samples of beech, pine, oak sliced veneer and birch rotary-cut veneer were investigated. Three types of specimens - permanent shape, temporary shape and shape after recovery were used for each wood species. The indices of shape memory effect such as R- (strain recovery rate) and Rf (strain fixity rate), deformative conversions and specific wood surface were experimentally determined. All investigated samples are characterized by high values of Rf, which reflects the ability of wood to remember the temporary shape. More remarkable changes of specific surface at forming the temporary shape and recovering the permanent shape were observed for beech wood. Values of Rr, which describes the recovery of the sample's permanent shape for beech and birch wood have similar values. The conducted research of the specific wood surface by the method of low-temperature adsorption of krypton allows assessing the changes in wood structure at shape memory effect.
Keywords: shape memory effect of wood, specific wood surface, Brunauer-Emmett-Teller method
Введение
Возможность придания комплекса заданных свойств при создании новых нанобиокомпозитных материалов на основе древесины требует исследования различных свойств древесины [1, 6, 8], в том числе величины удельной поверхности. Ранее [6, 7, 8, 9, 10] нами была проведена характеризация древесины как природного многофункционального материала: визуализация, квантификация, исследования деформационных превращений, молекулярно-топологического строения [3, 4] древесины при различных проявлениях эффекта памяти формы (ЭПФ) древесины.
Удельная поверхность - усреднённая характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела или частиц раздробленной фазы дисперсной системы. Её выражают отношением общей поверхности пористого или диспергированного в данной среде тела к его объёму или массе. Удельную поверхность чаще всего определяют по количеству адсорбированного материалом инертного газа (азот, криптон, метан, водород). Для измерения площади поверхности твердых тел существуют различные методы. Самое широкое распространение получил метод Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ) [2]. Сущность данного метода состоит в том, что на образец наносится монослой молекул определенного газа в сжиженном состоянии при температуре жидкого азота, затем, зная размер одной молекулы, определяют всю площадь поверхности твердого пористого тела. Для этого получают экспериментальную зависимость адсорбции от давления при постоянной температуре (изотерма адсорбции), после чего по уравнению БЭТ (1) вычисляют величину и затем число молекул в монослое: P
1 C —1 P
- + -
W(Р„ - P) Wm • C Wm • C Р0
(1)
где W - количество вещества, адсорбированного древесиной при относительном давлении р;
Р
Wm - количество криптона, покрывающее поверхность частиц мономолекулярным слоем;
P - равновесное давление паров при данной температуре;
Р0 - давление паров, насыщающих данное пространство при температуре опыта;
С - константа, характеризующая среднюю теплоту адсорбции монослоя, приближенно равная
С = ехр((Е1 - Е1)/RT), где Е1 - теплота адсорбции первого монослоя, EL - теплота конденсации, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура.
Для применения уравнения БЭТ (1) необходим линейный график зависимости 1/^Рс/Р)-1] от Р</Р, который для большинства твердых веществ ограничен небольшим участком изотермы адсорбции.
Метод БЭТ уже достаточно широко используется для изучения полимеров и полимерных композиций различного состава и строения.
Для количественной оценки ЭПФ древесины были использованы показатели Rr и Rf [5, 6, 9]. Доля обратимых деформаций Rr показывает способность материала запоминать постоянную форму, является мерой восстановления деформации, полученной в результате механического воздействия, определяется по выражению
е — е
R _ еур р
(2)
где е - общая гигро(термо)-механическая деформа-
ция,
- необратимые пластические деформации.
Доля фиксированных (сет) деформаций Rf отражает способность материала фиксировать механическую деформацию и, тем самым, запоминать временную форму:
(3)
где - сет-деформация после снятия нагрузки; еf -
замороженные упруго-эластические деформации.
Применение метода Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ) позволит выявить взаимосвязь между показателями эффекта памяти формы Rr и Rf, деформационными превращениями и величиной удельной поверхности древесины.
Методика исследований
Характеристика используемых для исследования образцов представлена в табл. 1. Диапазон изменения температуры - 0-100 °С, влажности - 0-150 %.
Методика и параметры проведения исследования указаны в табл. 2. Для каждой древесной породы в опыте использовались 3 типа образцов - исходной (постоянной) формы (1), временной формы (2) и восстановленной формы (3). Исследования проводились с использованием сорбционнного анализатора удельной
е
р
Таблица 1
Характеристика образцов
Порода древесины Вид шпона Размеры образцов, мм
Бук (Fagus L. ) Строганый 250*15*0,6
Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) Строганый 250*15*0,6
Береза (Betula L.) Лущеный 250*15*1,5
Дуб (Quercus L.) Строганый 250*15*0,6
Таблица 2
Параметры и методика проведения исследования
Тип образца Процедура испытаний Форма образца Деформация Показатели ЭПФ
1 Перед испытаниями Исходная s=0
2 Увлажнение при t=80 °С до Wн > 100 %, изгиб, сушка под нагрузкой при t=80 °С до Wк ~ 9 %, разгрузка Временная E=E,=Ef + £p Rf
3 Увлажнение при t=80 °С до Wн > 100 %, изгиб, сушка под нагрузкой при t=80°C до Wк ~ 9 %, разгрузка, повторное увлажнение при t=80 °С до Wн > 100 % После восстановления S=Ep Rr
поверхности и распределения пор по размерам Quadrasorb SI в Институте проблем химической физики РАН. Удельную поверхность образцов Syd, см2/г, находили по низкотемпературной адсорбции криптона при температуре жидкого азота (77 К) и рассчитывали по методу БЭТ (2). Площадь, занимаемая адсорбционной молекулой криптона, принималась равной 19,5*10Е-20 м2, относительная погрешность ± 10 %. Результаты исследований и выводы Результаты проведенных экспериментальных исследований представлены в табл. 3.
На рисунке показано изменение удельной поверхности образцов древесины сосны, бука и
Величина удельной поверхности и
березы для исходной, временной и восстановленной форм. Для древесины дуба данная методика оказалась нечувствительной, что объясняется особенностями микроскопического строения.
Для всех исследованных образцов характерны высокие значения показателя доли фиксированных деформаций Rf (0,9971 - 0,9986), отражающего способность запоминать временную форму. При этом наибольшие изменения наблюдаются для древесины бука (удельная поверхность значительно уменьшается), для древесины березы и сосны изменения в пределах точности измерений. Величина показателя доли обратимых деформаций Rr, который отражает степень восста-
Таблица 3
показатели ЭПФ образцов древесины
Удельная поверхность образцов, см2/г
Сосна Береза Дуб Бук
Исходная форма 1250 1950 < 100 2200
Временная форма 1200 2100 < 100 100
Восстановленная форма 1600 2000 < 100 2000
Rr 0,7850 0,8836 0,9338 0,8932
Rf 0,9878 0,9902 0,9771 0,9986
Рис. Удельная поверхность образцов древесины
новления постоянной формы образца, для древесины бука и березы имеет близкие значения (0,8836 и 0,8932). Как следует из табл. 3, удельная поверхность образцов бука и березы после возвращения в исходные физические условия практически полностью восстанавливается. Для древесины сосны величина этого показателя несколько ниже (0,785), при этом величина удельной поверхности увеличивается, что может быть объяснено появлением более значительных необратимых деформаций.
Таким образом, исследование удельной поверхности древесины методом низкомолекулярной адсорбции криптона позволяет провести оценку изменений структуры при различных проявлениях эффекта памяти формы древесины и более полно охарактеризовать эффект памяти формы. Результаты работы относятся к области фундаментального древесиноведения и могут быть использованы при разработке многофункциональных нанобиокомпозитов на основе древесины.
Библиографический список
1. Исследование прочности древесины при длительной постоянной нагрузке [Текст] / Т. К. Курьянова,
A. Д. Платонов, Н. Н. Федоткин [и др.] // Лесотехнический журнал. - 2012. - № 2(6). - С. 7-10.
2. Крылов, О. В. Гетерогенный катализ [Текст] : учеб. пособие / О. В. Крылов. - М. : Академкнига, 2004.
- C. 40-41.
3. Пат. 1763952 Российская Федерация, МПК G 01 N 21/00. Способ определения молекулярно-массового распределения полимеров [Текст] / Ольхов Ю. А., Иржак В. И., Батурин С. М.; заявитель и патентообладатель Отд-ние ин-та хим. физики АН СССР. - № 4767397/05; заявл. 27.10.89; опубл. 23.09.1992, Бюл. № 35.
4. Jurkowska, B. Application of thermomechanical mass spectroscopy for analysis of molecular and topological structure of rubber [Тех^] / B. Jurkowska, Y. A. Olkhov and B. Jurkowski // Journal of Applied Polymer Science. -Volume 74, Issue 3. - 1999. - pp. 490-501.
5. Lendlein, A. Shape-Memory Polymers. Reviews [Тех^] / A. Lendlein, S. Kelch // Angew. Chem. Int. Ed. -2002, 41. pp. 2034-2057.
6. Methods of characterization of memory effect of wood [Тех^] / G.A. Gorbacheva, B. N. Ugolev, V. G. Sanaev, S. Yu. Belkovskiy, S. A. Gorbachev // Pro Ligno. - 2015. - Vol. 11, № 4 - pp. 65-72.
7. Research of Molecular-Topological Structure at Shape-Memory Effect of Wood [Тех^]/ G. Gorbacheva,
B. Ugolev, S. Belkovskiy, Yu. Olkhov // Proceedings of the 57th Int. Convention of SWST. - Zvolen, Slovakia. - 2014.
- pp. 187-195.
8. Ugolev, B. N. Wood as a natural smart material [Тех^] // Wood Science and Technology. Journal of the International Academy of Wood Science. - 2014. - Vol. 48. - no, 3, pp.553-568. DOI 10.1007/s00226-013-0611-2.
9. Gorbacheva, G. A. Influence of wood species on quantities of memory effect [Тех] / G. A. Gorbacheva,
S. Yu. Belkovskiy // Науковий вюник НУЫП Украши. Серiя: Технiка та енергетика АПК. - 2013. - № 185-2. - С. 103-111.
10. Skuratov, N. V. On differential wood shrinkage coefficient [Тех1] / N. V. Skuratov, G. A. Gorbacheva // Drevarsky Vyskum. - 1998. - Vol. 43. - no. 3-4. - pp. 1-11.
References
1. Kuryanova T.K., Platonov A.D., Fedotkin N.N. [et all] Issledovanie prochnosti drevesiny pri dlitel'noy post-oyannoy nagruzke [Investigation of the strength of the wood during prolonged constant load]. Lesotekhnicheskii zhur-nal, 2012, no. 2 (6), pp.7-10. (In Russian)
2. Krylov O.V. Geterogennyy kataliz: uchebnoe posobie dlya vuzov [Heterogeneous catalysis textbook for universities]. Moscow, 2004, pp. 40-41. (In Russian)
3. Olkhov Yu.A., Irzhak V.I., Baturin S.M. Sposob opredeleniya molekulyarno-massovogo raspredeleniyapoli-merov [Method for determining the molecular weight distribution of polymers]. Patent RF, no. 1763952, 1992
4. Jurkowska B., Olkhov Y.A. and Jurkowski B. Application of thermomechanical mass spectroscopy for analysis of molecular and topological structure of rubber. Journal of Applied Polymer Science, 1999, Vol. 74, Issue 3, pp. 490-501.
5. Lendlein A., Kelch S. Shape-Memory Polymers. Reviews. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41. pp. 2034-2057.
6. Gorbacheva G.A., Ugolev B.N., Sanaev V.G., Belkovskiy S.Yu., Gorbachev S.A. Methods of characterization of memory effect of wood. Pro Ligno. 2015, Vol. 11, no. 4, pp. 65-72.
7. Gorbacheva G., Ugolev B., Belkovskiy S., Olkhov Yu. Research of Molecular-Topological Structure at Shape-Memory Effect of Wood. Proceedings of the 57th Int. Convention of SWST. Zvolen, Slovakia. 2014, pp. 187-195.
8. Ugolev B.N. Wood as a natural smart material. Wood Science and Technology. Journal of the International Academy of Wood Science, 2014, Vol. 48, no. 3, pp.553-568. DOI 10.1007/s00226-013-0611-2.
9. Gorbacheva G.A., Belkovskiy S.Yu. Influence of wood species on quantities of memory effect. Scientific Bulletin of Nulesu. Series: electronics and energetics APK. 2013, no. 185-2. pp. 103-111.
10. Skuratov N.V., Gorbacheva G.A. On differential wood shrinkage coefficient. Drevarsky Vyskum. 1998, Vol. 43. no. 3-4, pp. 1-11.
Сведения об авторах
Горбачева Галина Александровна - доцент кафедры древесиноведения и технологии деревообработки Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет леса», кандидат технических наук, г. Мытищи, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Санаев Виктор Георгиевич - заведующий кафедрой древесиноведения и технологии деревообработки, профессор Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет леса», доктор технических наук, профессор, г. Мытищи, Российская Федерация; e-mail:[email protected]
Белковский Серафим Юрьевич - аспирант кафедры древесиноведения и технологии деревообработки Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет леса», г. Мытищи, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Information about authors
Gorbacheva Galina Aleksandrovna - Associate Professor of Department of Wood Science and Technology, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State Forest University», PhD in Engineering, Mytischi, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Sanaev Victor Georgievich - №ad of Department of Wood Science and Technology, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State Forest University», DSc in Engineering, Professor, Myti-schi, Russian Federation; e-mail: [email protected]
BelkovskiySerafmYurievich - post-graduate student of Department of Wood Science and Technology, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State Forest University», Mytischi, Russian Federation; e-mail: [email protected].
