CC BY
98
5. Круглые, металлические, метал-лопластиковые, гибкие и полугибкие, неметаллические воздуховоды - их преимущества и недостатки. [Электронный ресурс]. URL: http://armada-climate.ru (дата обращения: 26.06.2013).
6. Богуславский К. Астращя на виробництвг практичш рекомендаций За матершами Всеукрашсько! галузево! газе-ти "Деревообробник". [Электронный ресурс]. URL: http://www.derevo.info (дата обращения: 24.06.2013).
7. Пилорамы "Зубр 5Р", "ДПУ-500", "ПДУ-100", "Ц2УБС-2". Что же всё-таки лучше? Интернет-форумы лесной отрасли.
Обсуждение: Оборудование, инструменты. [Электронный ресурс]. URL: http://forums. wood.ru (дата обращения: 24.06.2013).
8. Балашов В. Звенья воздушного лабиринта // Журнал "Идеи Вашего Дома". М., 2008. Вип. № 2 (114).
9. Пилипчук М.1., Бурдяк М.Р. Особливосп кшематики процесу ортогонального пиляння колод круглими пилками // Вюник ХНТУСГ iм. П.Василенка: зб. наук.-техн. праць «Системотехшка i технологи люового комплексу». Харюв, 2012. Вип. 123. С. 135-142.
10. Паспорт поздовжньо-обрiзного верстата ВПО-1 «Ясень-Баракуда». 10 с.
УДК 630*812:674.812
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ
И ЗАЩИТЫ ДРЕВЕСИНЫ
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры химии А. И. Дмитренков доктор технических наук, профессор, профессор кафедры инженерной экологии и
техногенной безопасности С. С. Никулин2 доктор технических наук, профессор, профессор кафедры инженерной экологии и техногенной безопасности О. Н. Филимонова2 кандидат технических наук, преподаватель кафедры безопасности технологических процессов Н. С. Никулина 1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» 2 - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» 3- ФГБОУ ВПО «Воронежский институт МЧС ГПС России» [email protected], [email protected]
В настоящее время древесина остается одним из самых доступных, возобновляемых и потому широко востребованных природных материалов. Благодаря своим ценным свойствам она находит достаточно широкое применение в различных отраслях промышленности и строительства. К
таким ценным свойствам древесины относится то, что она является достаточно прочным и в то же время легким материалом, хорошо противостоит ударным и вибрационным нагрузкам, а также обладает отличными теплоизоляционными свойствами. Древесина отличается высокими де-
коративными свойствами, является немагнитным материалом и легко обрабатывается на станках. Следует также отметить достаточно высокую химическую стойкость древесины. Однако наличие в древесине разнообразных полостей и сосудов приводит к способности впитывать влагу, что приводит к изменению влажности древесины, к ее набуханию, растрескиванию, изменению формы деталей из древесины и снижению ее прочностных характеристик. Большую опасность для древесины представляют различные микроорганизмы: грибы, насекомые и водоросли. К недостаткам древесины относится также ее горючесть, а также изменчивость свойств, связанная с ее растительным происхождением.
В современных условиях разрабатываются все новые способы преодоления естественных недостатков древесины. Поэтому актуальной остается задача поиска новых эффективных и безопасных модифицирующих материалов, способных защитить древесину от неблагоприятных внешних воздействий и придать изделиям из древесины комплекс необходимых свойств, особенно из менее стойких лиственных пород - березы, осины, липы.
Для модифицирования древесины широко применяют как неорганические, так и органические вещества. Эффективным методом улучшения свойств древесного материала является ее модифицирование синтетическими полимерами [1,2]. Пропитка древесины синтетическими полимерами не только повышает ее физико-механические характеристики и ограничивает анизотропность свойств, но и позволяет повысить ее огне-, био- и химическую стойкость [3].
В предыдущих работах [4-6] для модификации древесины малоценных пород использовали растворы и расплавы высших карбоновых кислот. Исследована [4,5] технология модифицирования древесины лиственных пород расплавом стеариновой кислоты, которая позволяет уменьшить водопоглощение древесного материала, сократить продолжительность пропитки в расплаве и расширить ее температурный интервал. Образцы древесины с естественной влажностью помещали в расплав стеариновой кислоты с температурой 150.. .160 оС, где осуществляли их сушку. После завершения процесса влаговыделения образцы выдерживали в расплаве при той же температуре, а затем снижали ее до 70.75 оС. Извлеченные из расплава образцы охлаждали на воздухе или в воде. Для расширения сырьевой базы пропиточных материалов предложено использовать водный раствор малеиновой кислоты. Показано [6], что наиболее существенное влияние на гидрофобные свойства модифицированной древесины оказывают продолжительность пропитки в растворе малеи-новой кислоты, температура и продолжительность термообработки.
Целью данной работы является изучение технологии модификации древесины малоценных пород олеиновой кислотой.
Олеиновая кислота СН3-(СН2)7-СН = СН - (СН2)7 - СООН относится к высшим ненасыщенным карбоновым кислотам и по физическим свойствам представляет собой бесцветную вязкую жидкость с температурой плавления от 13,4 до 16,3 оС в зависимости от модификации, температурой кипения 286 оС и плотностью 0,895 г/см3.
Олеиновая кислота растворяется в органических растворителях, но нерастворима в воде. Олеиновая кислота является наиболее распространенной в природе ненасыщенной жирной кислотой и содержится во многих растительных и животных жирах в виде сложных эфиров - глицеридов. Она содержится в подсолнечном и оливковом масле, в говяжьем и свином жире. Олеиновую кислоту и ее производные применяют в качестве компонентов моющих средств, лаков, олиф, эмульгаторов, как пластификаторы целлюлозы в хроматографии. Высшие жирные карбоновые кислоты также применяются в строительстве. Например, остатки от разгонки жирных кислот на фракции, содержащие такие кислоты, используются в качестве гидрофобизирую-щих составов для обработки строительных материалов. Такая обработка позволяет придать строительным материалам улучшенные водоотталкивающие свойства.
На перспективность использования олеиновой кислоты для защитной обработки древесных материалов и ее хорошую совместимость со структурами древесины указывает также тот факт, что она наряду с другими жирными кислотами (стеариновой, пальметиновой, линолевой, линоленовой) входит в состав экстрактивных веществ древесины [7].
Для исследований использовали образцы древесины липы влажностью 8.11 % стандартных размеров 20x20x30 мм. Пропитку осуществляли следующим образом. Технологический процесс модифицирования древесины лиственных пород включает в себя ряд операций по подготовке образцов, пропитке древесины в мо-
дифицирующем составе и термозакаливания обработанной древесины. Подготовка древесины стандартных размеров предусматривает их механическую обработку с целью придания им гладкой поверхности и сушку до оптимальной влажности.
Для пропитки образцов древесины липы в данной работе использовали способ капиллярной пропитки, который заключается в погружении подготовленных заготовок древесины в ванну с олеиновой кислотой, уровень которой должен быть выше образцов на определенную величину. При погружении образцов древесины липы в олеиновую кислоту происходит ее капиллярное всасывание вглубь древесного материала по полостям клеток. После выдержки образцов в течение определенного времени и при заданной температуре, их извлекали из модифицирующего состава и охлаждали на воздухе до температуры окружающей среды, после чего пропитанную древесину подвергали термообработке при заданной температуре в течение определенного времени. Для изучения технологического процесса модифицирования древесины липы олеиновой кислотой использовали метод планирования эксперимента по схеме греко-латинского квадрата четвертого порядка [8]. В качестве факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на свойства получаемых модифицированных образцов древесины липы, были выбраны: температура пропиточного состава, продолжительность пропитки, температура и продолжительность термообработки. Для каждого фактора были взяты четыре уровня варьирования:
температура пропитки (фактор А) -
20, 50, 80, 110 оС;
продолжительность пропитки (фактор В) - 1, 2, 3, 4 ч;
температура термообработки (фактор С) - 110, 130, 150, 170 оС;
продолжительность термообработки (фактор D) - 1, 3, 5, 7 ч.
Свойства древесины липы, модифицированной олеиновой кислотой, контро-
Примечание: Продолжительность выдержки в воде - 1 сутки; yi - водопо-глощение, %; у/ - разбухание в тангенци-
лировали по изменению таких показателей как водопоглощение, разбухание в радиальном и тангенциальном направлениях через одни и тридцать суток их нахождения в воде. Матрица планирования эксперимента и результаты испытаний модифицированных образцов древесины липы по схеме греко-латинского квадрата 4-го порядка представлены в таблицах 1 и 2.
альном направлении, %; у/'- разбухание в радиальном направлении, %
Таблица 1
План и результаты эксперимента по пропитке древесины липы олеиновой кислотой по схеме греко-латинского квадрата 4-го порядка
А, температура В, продолжительность пропитки, ч
пропитки, С Ь = 1 ч Ь2 = 2 ч Ь3 = 3 ч Ь4 = 4 ч
С1 = 110оС С2 = 130 оС С3 = 150 оС С4 = 170оС
dl = 1 ч d2 = 3 ч dз = 5 ч d4 = 7 ч
У1 = 69,1 % У2 = 44,5 % У3 = 35,7 % У4 = 20,8 %
а1 = 20 оС У1' = 12,2 % У2' = 10,3 % У3' = 8,8 % У4' = 7,1 %
У1"= 8,3 % У2" = 7,3 % У3"= 6,5 % У4"= 5,8 %
С2 = 130 оС С1 = 110оС С4 = 170оС С3 = 150 оС
dз = 5 ч d4 = 7 ч dl = 1 ч d2 = 3 ч
У5 = 47,0 % У6 = 46,2 % У7 = 42,1 % У8 = 35,5 %
а2 = 50 оС У5' = 10,8 % У6' = 9,5 % У7' = 6,4 % У8' = 9,5 %
У5" = 7,2 % У6" = 6,1 % У7" = 5,2 % У8" = 4,8 %
С3 = 150 оС С4 = 170оС С1 = 110оС С2 = 130 оС
d4 = 7 ч dз = 5 ч d2 = 3 ч dl = 1 ч
У9 = 28,5 % У10 = 17,7 % У11 = 41,1 % У12 = 31,0 %
аз = 80 оС У9' = 8,6 % У10' = 6,2 % У11' = 9,6 % У12' = 9,5 %
У9" = 5,7 % У10" = 4,9 % У11" = 7,1 % У12" = 5,1 %
С4 = 170оС С3 = 150 оС С2 = 130 оС С1 = 110оС
d2 = 3 ч dl = 1 ч d4 = 7 ч dз = 5 ч
а4 = 110 оС У13 = 18,6 % У14 = 24,7 % У15 = 22,8 % У16 = 26,6 %
У13' = 7,2 % У14' = 7,0 % У15' = 6,1 % У16' = 6,8 %
У13" = 4,6 % У14" = 4,4 % У15" = 4,2 % У16" = 4,1 %
Таблица 2
План и результаты эксперимента по пропитке древесины липы олеиновой кислотой по _схеме греко-латинского квадрата 4-го порядка_
А, температура В, продолжительность пропитки, ч
пропитки, С Ь = 1 ч Ь2 = 2 ч Ь3 = 3 ч Ь4 = 4 ч
С1 = 110оС С2 = 130 оС С3 = 150 оС С4 = 170оС
dl = 1 ч d2 = 3 ч dз = 5 ч d4 = 7 ч
а1 = 20 оС У1 = 220,2 % У2 = 161,7 % У3 = 151,1 % У4 = 140,0 %
У1' = 12,8 % У2' = 10,3 % У3' = 9,8 % У4' = 9,2 %
У1" = 8,9 % У2" = 8,2 % У3" = 7,7 % У4" = 7,2 %
С2 = 130 оС С1 = 110оС С4 = 170оС С3 = 150 оС
dз = 5 ч d4 = 7 ч dl = 1 ч d2 = 3 ч
а2 = 50 оС У5 = 177,5 % У6 = 150,4 % У7 = 156,8 % У8 = 139,8 %
У5' = 12,1 % У6' = 9,5 % У7' = 8,4 % У8' = 9,5 %
У5" = 7,8 % У6" = 6,2 % У7" = 6,8 % У8"= 6,3 %
С3 = 150 оС С4 = 170оС С1 = 110оС С2 = 130 оС
d4 = 7 ч dз = 5 ч d2 = 3 ч dl = 1 ч
аз = 80 оС У9 = 128,1 % У10 = 105,8 % У11 = 125,9 % У12 = 96,4 %
У9' = 10,6 % У10' = 9,7 % У11' = 10,1 % У12' = 9,2 %
У9" = 6,7 % У10" = 6,5 % У11" = 6,4 % У12" = 6,1 %
С4 = 170оС С3 = 150 оС С2 = 130 оС С1 = 110оС
d2 = 3 ч dl = 1 ч d4 = 7 ч dз = 5 ч
а4 = 110 оС У13 = 87,2 % У14 = 81,5 % У15 = 66,4 % У16 = 56,0 %
У13' = 9,5 % У14' = 11,3 % У15' = 8,2 % У16' = 8,8 %
У13" = 6,0 % У14" = 5,9 % У15" = 5,8 % У16" = 5,6 %
Примечание: Продолжительность выдержки в воде - 30 суток; yi - водопо-глощение, %; у/ - разбухание в тангенциальном направлении, %; у/'- разбухание в радиальном направлении, %
На основании полученных экспериментальных данных установлено, что наиболее существенное влияние на гидрофобные свойства обработанной олеиновой кислотой древесины оказывают продолжительность и температура пропитки, а также температура термообработки.
После обработки экспериментальных данных с использованием компьютерных
программ получены уравнения регрессии, описывающие влияние основных технологических параметров процесса пропитки олеиновой кислотой на показатели водо-поглощения, разбухания в радиальном и тангенциальном направлениях образцов модифицированной древесины липы, после 1 и 30 суток испытаний (нахождения образцов в воде):
Через одни сутки: - водопоглощение, % Y (А, В, С, D) = 2,999-10-5-(46,54 -0,206а)-(37,65 - 2,12Ь)-(78,00-0,322с)-(39,40 -1,745d); - разбухание в тангенциальном направлении, %
Y (А, В, С, D) = 1,755 10-3 (10,19 -0,028а)-(9,475 - 0,46Ь)-(14,235 -0,042с) - (8,998 - 0,173ё);
- разбухание в радиальном направлении, %
Y (А, В, С, D) = 5,757-10-3-(7,36+ 0,026а)-(6,62 - 0,41Ь)-(8,24 - 0,019с) -(5,75 -0,043d).
Через 30 суток:
- водопоглощение, %
Y (А, В, С, D) = 6,44-10-7-(196,8 -1,081а)-(154,0 - 13,12Ь)-(125,6 -0,038с)- (130,7 - 2,56d);
- разбухание в тангенциальном на-
правлении, %
Y (А, В, С, D) = 1,041-10-3-(10,54-0,0103а)-(11,69 - 0,712Ь)-(11,7 -0,013с)- (10,4 - 0,132d);
- разбухание в радиальном направлении, %
Y (А, В, С, D) = 3,329-10-3-(8,22-0,023а)-(7,46 - 0,301Ь)-(7,02 - 0,0023с)-(6,89 - 0,049d).
По полученным уравнениям зависимостей показателей древесины липы от факторов А, В, С, D определены наилучшие условия модифицирования, представленные в таблице 3.
Таблица 3
Наилучшие условия модифицирования древесины липы олеиновой кислотой
Фактор Значение
Продолжительность пропитки, ч 4
Температура пропиточного состава, оС 110
Продолжительность термообработки, ч 7
Температура термообработки, оС 170
Сравнение расчетных и экспериментальных значений, полученных по вышеприведенным уравнениям и в наилучших технологических условиях модифицирова-
ния древесины липы олеиновой кислотой представлено в таблице 4. Анализ полученных результатов указывает на их хорошую сходимость.
Таблица 4
Расчетные и экспериментальные значения показателей древесины липы, модифицированной олеиновой кислотой
Продолжительность испытания, сутки Водопоглоще-ние, % Разбухание в тангенциальном направлении, % Разбухание в радиальном направлении, %
1 13,2/15,1 8,00/7,3 5,26/4,6
30 63,7/65,3 9,88/9,9 5,14/5,0
Примечание: числитель - расчет; знаменатель - эксперимент
Олеиновая кислота относится к полярным веществам, имеет сравнительно небольшую молекулярную массу и легко проникает в стенки клеток древесины. Как показал эксперимент, олеиновая кислота достаточно хорошо впитывается в древесину и эффективно защищает ее от гниения, плесени, грибков, воздействия влаги и других атмосферных факторов. Так, при оптимальных параметрах процесса пропитки водопоглощение модифицированной древесины снижается более чем в 4 раза по сравнению со значениями водостойкости, полученными для необработанной древесины липы.
Известно [3], что наиболее важным показателем модификатора, оказывающим влияние на качество пропитки древесины, является его вязкость. Олеиновая кислота в обычных условиях характеризуется низкой вязкостью, которая еще более понижается с увеличением температуры, что сказывается на ее проникающей способности, глубине и равномерности пропитки.
Пленка из олеиновой кислоты образует на поверхности древесины полупрозрачное и выделяющее текстуру древесины покрытие. Обработанная таким образом древесина лиственных пород приобретает яркость и выразительность.
Следует отметить, что в связи с постоянным ужесточением экологических требований, использование многих ранее применяемых защитных составов для древесины, содержащих токсичные компоненты в рецептурах, становится проблематичным. Предлагаемый модифицирующий материал не имеет запаха, экологически безопасен и не оказывает вредного влия-
ния на здоровье людей и животных.
Таким образом, предлагаемая технология модифицирования древесины лиственных пород олеиновой кислотой обладает экологической безопасностью, позволяет придать изделиям на ее основе высокие декоративные свойства, улучшить характеристики древесного материала и повысить устойчивость к атмосферным воздействиям, что даст возможность расширить области ее применения.
Библиографический список
1. Хрулев В.М. Обработка древесины полимерами. Улан-Уде: Бурят. кн.изд-во, 1984. 142 с.
2. Хрулев В.М. Химическая стойкость натуральной и модифицированной древесины // Лесной журнал. 1988. № 2. С.56-59.
3. Мельникова Л.В. Технология композиционных материалов из древесины. М.: МГУЛ, 1999. 226 с.
4. Дмитренков А.И., Бельчинская Л.И., Никулин С.С. Модифицирование древесины расплавом стеариновой кислоты // Лесной журнал. 1992. № 1. С.74-78.
5. Дмитренков А.И., Никулин С.С., Фролов Г.А. Пути улучшения свойств древесины при ее обработке в расплавах органических кислот // Научный вестник Воронежской государственной лесотехнической академии. Воронеж, 2009. Вып. 1. С.70-75.
6. Исследование свойств древесины, обработанной раствором малеиновой кислоты, с использованием методов оптимизации эксперимента / А.И. Дмитренков,
Н.С. Никулина, О.Н. Филимонова [и др] // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления: межвуз. сб. науч.тр. / под ред. В.С. Петровского. Воронеж, 2010. Вып. 15. С.95-98.
7. Кононов Г. Н. Химия древесины и
ее основных компонентов. М.: МГУЛ, 2002. 259 с.
8. Ахназарова С. Л., Кафаров В. В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высш. шк., 1985. 328 с.
УДК 674.023
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТРАБОТАВШЕГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры древесиноведения А. О. Сафонов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
В сложившихся экономических условиях непрерывного роста тарифов на энергоносители, задача рационального их использования чрезвычайно актуальна. Большую роль в этом играет создание энергосберегающих пожаробезопасных режимов тепловой обработки различных материалов. Технология сушки древесных частиц также является энергозатратной. Она подразумевает снижение влажности стружки от 80.100 % до 2.4 %. Управление сушилками барабанного типа в промышленных условиях, определение режимов осуществляется в зависимости от начальной влажности материала. Уровни изменения этого параметра описываются вероятностными законами, зависят от сезона, состояния сырья, условий хранения стружки. Несомненно, начальная влажность любого высушиваемого материала определяет технико-экономическую, технологическую эффективности сушки. Колебание влажности частиц, поступающих в барабан, явля-
ется причиной изменения режимных параметров. Проведенные промышленные исследования сушки древесных частиц позволили создать математическое описание, определяющее оптимальные режимы для компенсации влияния начальной влажности стружки Wнс, влажности Wц и температуры ^ окружающего барабан воздуха, температуры атмосферного воздуха ta на температуру отработавшего теплоносителя, характеризующую пожаробезопасность проведения процесса. Целью экспериментов в различные сезоны было создание математического описания для управления технологией, обеспечивающего пожаробезопасное проведение сушки при одновременном получении древесных частиц требуемой конечной влажности с максимальной производительностью барабанов и минимальными удельными расходами энергоносителей. В ходе активных экспериментов на промышленном оборудовании была определена адекватная зависимость (1).
