CC BY
14
КАЧЕСТВО СУШКИ ТВЕРДЫХ ЛИСТВЕННЫХ ПОРОД ПОСЛЕ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
А.Д. ПЛАТОНОВ, доц. каф. древесиноведения ВГЛТА, канд. техн. наук, Т.К. КУРЬЯНОВА, доц. каф. древесиноведения ВГЛТА, канд. техн. наук
Состояние материала в процессе сушки характеризуется возникновением во влажном теле трех взаимосвязанных полей: влажности, температуры и напряжений.
Как материал растительного происхождения, древесина обладает одновременно упругостью и пластичностью. Упругие свойства проявляются больше в сухой, а пластические - во влажной и особенно нагретой древесине. Во время сушки эти свойства проявляются в поперечном направлении, т. е. по ширине доски.
Если бы древесина была абсолютно упругим телом с характеристиками, не зави-сящами от влажности и температуры, после выравнивания влажности и охлаждения внутренние напряжения в ней должны были бы исчезать. Однако древесина не обладает идеальной упругостью, в ней (особенно при длительном воздействии нагрузок) развиваются остаточные деформации, которые сохраняются и после устранения вызвавших их усилий [3].
Кроме того, происходит процесс перерождения упругих деформаций в остаточные вследствие изменения жесткости древесины при снижении ее влажности.
Исследование механизма образования и закономерностей развития внутренних напряжений необходимо для построения оптимальных режимов и правильного ведения процесса сушки, а также для характеристики качества высушенной древесины.
Объекты и методы исследований
Качество сушки наряду с конечной влажностью и перепадом влажности по сечению материала характеризуется и величиной остаточных напряжений, определение которых и является целью данных исследований.
Определение величины внутренних напряжений было проведено после конвективной сушки древесины с предварительной химической обработкой и без химической
обработки. Часть заготовок была обработана раствором хлорида натрия в течение 3 часов. Затем торцы заготовок были покрыты двойным слоем лака, что позволило устранить испарение влаги вдоль волокон. После этого обе партии были высушены в конвективной сушильной камере.
Необработанные заготовки были высушены по принятой технологии: начальный прогрев, сушка, промежуточная и конечная влаготеплообработка. Заготовки, обработанные хлоридом натрия, были высушены по упрощенной технологии без начального прогрева, промежуточной и конечной влаготеп-лообработки.
По мере убыли влаги, через каждые 7-10 %, из обеих партий вынимался один контрольный образец и исследовался на перепад влажности по сечению и наличие внутренних напряжений.
Метод количественной оценки остаточных напряжений и построения их эпюр, основанный на измерении упругих деформаций отдельных элементов образца (после его раскроя на тонкие слои) и непосредственном определении модуля упругости древесины этих элементов, был разработан Б. Н. Уголе-вым и стандартизован ГОСТ 11603-73 «Метод определения остаточных напряжений».
Результаты исследований
Действующие в древесине так называемые полные внутренние напряжения апол, можно рассматривать как алгебраическую сумму противоположных по знаку влажност-ных авл и остаточных аост, равных по величине. Влажностные напряжения, характерные для абсолютно упругого тела, обусловлены неравномерной усушкой древесины по объему. Они имеют временный характер и исчезают при выравнивании влажности. Остаточные напряжения обусловлены наличием в древесине неоднородных остаточных деформаций.
£ о о к
рр
щ
2 3
Время сушки т
Рис. 1. График изменения влажности древесины в процессе конвективной сушки без предварительной химической обработки
Оост
О
й
Ч
Овл
0 1
2 3
Время сушки т
Рис. 3. График изменения влажностных, остаточных и полных напряжений в процессе конвективной сушки древесины без предварительной химической обработкой (поверхностная зона)
л &
о
X
8
И
К
<и «
О С ей
д
лWг
V—
W^7 О
1 2 3 а
Время сушки т
Рис. 2. График изменения влажности
древесины в процессе конвективной сушки после химической обработки
а 4
Рис. 4. График изменения влажностных,
остаточных и полных напряжений в процессе конвективной сушки древесины с предварительной химической обработкой (поверхностная зона)
Влажностные напряжения, возникающие в первый период сушки, зависят от перепада влажности по сечению. Характер распределения влаги по сечению заготовок без предварительной химической обработки и предварительной химической обработкой представлен на рис. 1 и 2.
На рис. 1 показан характер изменения влажности поверхностной Wп0в и внутренней Wц зон пиломатериала без предварительной обработки.
В начале сушки, при влажности древесины выше предела насыщения клеточных стенок Wnм, усушки нет и напряжения на коротком участке постоянной скорости сушки
0-1 отсутствуют. На участке 1-2 влажность поверхности опускается ниже Wu.ii и в материале возникают растягивающие влажност-ные напряжения. Дальнейшая сушка материала приводит к образованию еще большего перепада гигроскопической влажности ДWг. После момента 2 влажность центральной зоны опускается ниже Wп.н, перепад влажности начинает уменьшаться.
На рис. 2 показан характер изменения перепада влажности для сушки заготовок после предварительной химической обработки. Предварительная химическая обработка уменьшает интенсивность испарения влаги с поверхности и одновременно увели-
1
4
а
4
я
чивает ток влаги от центра к поверхности материала. В результате этого перепад влажности АЖг будет значительно меньше, чем у заготовок без предварительной химической обработки (рис. 1). Одновременно с проникновением раствора в поверхностный слой последний усыхает медленнее, что не вызывает опасных напряжений в поверхностном слое в первый период сушки.
У заготовок с предварительной обработкой поверхность материала достигает предела насыщения клеточных стенок позже (участок 0-1, рис. 2) по сравнению с необработанной древесиной (участок 0-1, рис. 1).
В период падающей скорости сушки на участке 1-4 (рис. 2) распределение влаги по сечению материала более равномерное, чем на участке 1-4 (рис. 1). На момент окончания сушки в материале с предварительной обработкой перепад влажности по сечению меньше, чем у необработанной древесины и устанавливается значительно раньше момента а (рис. 1 и 2).
Различие в величине перепада влажности АЖг по сечению материала у обработанных и необработанных заготовок оказывает влияние и на величину внутренних напряжений.
На рис. 5 и 6 приведены эпюры остаточных напряжений для древесины дуба толщиной 40 мм, высушенные с предварительной химической обработкой.
На рис. 5 представлена эпюра остаточных напряжений в древесине дуба при влажности 37 %. На эпюре отражен момент смены знака напряжений. Согласно данным Курьяновой [1], для натуральной древесины дуба при конвективной сушке смена знака напряжений происходит при величине средней текущей влажности около 44-49 %. После химической обработки древесины величина этого предела понижается до уровня, близкого к 36-40 %.
Незначительное снижение уровня переходной влажности вызвано более длительным периодом постоянной скорости сушки, т. е. более поздним моментом перехода поверхностью древесины уровня влажности ниже Жп.н.
Рис. 5. Эпюра остаточных напряжений в дубовой доске после камерной сушки с предварительной химической обработкой (влажность 37 %)
На рис. 6 представлена эпюра остаточных напряжений в древесине дуба после конвективной сушки с предварительной химической обработкой. Величина растягивающих напряжений во внутренней части образца не превышает 1,8-1,9 МПа. Допустимые напряжения для древесины дуба составляют о-доп = 5,6 МПа (айй. = 0,7 а , где о -предел прочности на разрыв поперек волокон; для дуба о = 8 МПа).
Величина остаточных напряжений зависит от интенсивности протекания процесса сушки. По данным Курьяновой [1] после атмосферной сушки дубовых пиломатериалов сжимающие напряжения в поверхностных зонах не превышали 1,7 МПа, а растягивающие напряжения во внутренней зоне -0,9 МПа. После камерной сушки напряжения в поверхностных и внутренней зонах у тех же досок могут доходить соответственно до 7,5 и 3,8 МПа.
10 15 20 25 30 35 39
Рис. 6. Эпюра остаточных напряжений в
дубовой доске после камерной сушки с предварительной химической обработкой (влажность 8 %)
Из эпюры рис. 6 видно, что после камерной сушки древесины дуба с предварительной обработкой сжимающие напряжения в поверхностных зонах достигают 4,0 МПа, а растягивающие во внутренней - 1,9 МПа.
Результаты исследований величины остаточных внутренних напряжений пока-
зывают, что предварительная химическая обработка позволяет высушивать древесину дуба с минимальными внутренними напряжениями, сопоставимыми с внутренними напряжениями после атмосферной сушки.
Выводы
1. Предлагаемый способ сушки древесины твердых пород позволяет упростить технологию путем исключения начального прогрева и влаготеплообработки.
2. Внутренние напряжения в древесине после камерной сушки с предварительной химической обработкой меньше, чем напряжения в древесине без обработки, и сопоставимы по своей величине с внутренними напряжениями после атмосферной сушки.
3. Продолжительность камерной сушки древесины твердых пород с предварительной обработкой в 2,0-2,5 раза меньше, чем без обработки.
4. Способ сушки с предварительной химической обработкой является энергосберегающей технологией и может быть рекомендован в производство.
Библиографический список
1. Курьянова Т.К. Исследование усадки древесины дуба в зависимости от режима сушки: Дис. канд. техн. наук. - М.: МЛТИ, 1981. - 23 с.
2. Уголев Б. Н. Испытания древесины и древесных материалов. - М.: Лесн. пром-сть, 1965. -252 с.
