CC BY
31
УДК 630.812.214:630.812
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСУШКИ ДРЕВЕСИНЫ ДУБА МОРЕНОГО И ДРЕВЕСИНЫ ДУБА НАТУРАЛЬНОГО ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ
ВИДОВ ОБРАБОТКИ О. В. Аралова
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Вопросам усушки древесины, повышения формоустойчивости изделий из нее было посвящено большое число научных работ.
Анализ работ отечественных и зарубежных литературных источников по влиянию режимов обработки на величину усушки показал, что работы имеют различный методический подход к исследованиям. Например, они выполнялись на образцах различных размеров. А этот фактор имеет большое значение при определении величины усушки, так как в образцах больших размеров возникают внутренние напряжения, деформации, которые изменяют характер усушки древесины и влияют на ее величину.
Режимы сушки древесины колебались в широких температурных диапазонах и принимались различной жесткости. Одни исследователи проводили сушку форсированными режимами и не контролировали степень насыщенности пара. Другие проводили исследования по режимам с широким диапазоном температур. Третьи сушили древесину в среде перегретого пара. Такое разнообразие режимов дает несопоставимые результаты.
Было установлено, что при камерной сушке древесины хвойных пород повышенными температурами величина 10
усушки меньше, чем при сушке в атмосферных условиях. Чем интенсивнее высыхает древесина, тем больше возникают внутренние напряжения из-за неравномерности усушки по сечению материала. Это приводит к значительным деформациям, а, следовательно, и к меньшей усадке древесины.
Исследования усушки на древесине лиственных пород показали, что древесина этих пород усыхает тем больше, чем выше температура и степень насыщенности агента сушки. Это происходит по причине коллапса (сближение клеточных стенок при испарении свободной влаги из полостей клеток), что является причиной возникновения деформации сжатия большей величины, чем при атмосферной сушке или температурами не выше 60 °С [1]. Это приводит и к большей усушке древесины в целом.
Результаты ряда исследователей противоречивы. Это можно объяснить тем, что исследования проводились при различных режимах сушки, на несхожих древесных породах, произрастающих в несопоставимых климатических и почвенных условиях, с различным строением и физико-механическими свойствами.
Для установления влияния температуры и относительной влажности воздуха
технический журнал 3/2011
были проведены исследования по определению усушки древесины после предварительной термохимической обработки и установление формоустойчивости древесины после различных видов обработки.
Предварительная термохимическая обработка способствует более равномерному распределению влажности по сечению материала, что значительно уменьшает величину внутренних напряжений при сушке, а, следовательно, уменьшает растрескивание и коробление [2]. Однако в результате такой обработки на поверхности высушиваемой древесины появляются кристаллы хлорида натрия, которые изменяют способность древесины поглощать влагу. Одним из основных физических свойств древесины, влияющих на размерность изделий и зависящих от количества поглощенной влаги древесины, является усушка. Целью данной работы явилось исследование величины усушки древесины, обработанной этим способом.
Экспериментальные исследования были проведены на древесине дуба мореного, изъятого из р. Воронеж и древесине дуба натурального Воронежской области.
Отбор древесины был проведен согласно ГОСТ 16483.21-72. Из круглых лесоматериалов дуба мореного и дуба натурального были выпилены центральные доски толщиной 60 мм с радиальным расположением годичных слоев. Затем из этих досок были выпилены заготовки сечением 20х20 мм для последующих исследований.
Одна часть образцов, размером 20^20x60 мм, последний вдоль волокон, при влажности 60 % была подвергнута
Лесотехнический журнал 3/
предварительной термохимической обработке в растворе хлорида натрия в течение 3 часов. Затем все обработанные заготовки были распилены на образцы размером 20х20х30 мм, последний вдоль волокон. Вторая часть заготовок, необработанных, была разрезана на образцы того же размера и использовалась для контроля. У всех образцов были измерены их геометрические размеры по трем направлениям и определена масса. Образцы двух видов были помещены над раствором серной кислоты различной плотности, что обеспечивало необходимую относительную влажность воздуха, в эксикаторах.
Эксикаторы с раствором кислоты и образцами над ней были помещены в шкаф, в котором поддерживалась постоянная температура для первого эксперимента 50 °С, для второго - 80 °С. Еще один эксикатор был оставлен в помещении, при температуре 20 °С. Относительная влажность воздуха в эксикаторах поддерживалась 20, 52,5 и 80 %.
Линейные размеры образцов были измерены при помощи штангенциркуля, с погрешностью измерения 0,02 мм. Масса определялась с помощью весов, с точностью до 0,01 г.
В результате обработки на ЭВМ с использованием пакета прикладных программ получены уравнения регрессии, по которым построены поверхности отклика выходных функций, представленные на рис. 1.
11
в) г)
Рис. 1. Поверхности отклика: а - для древесины дуба натурального без предварительной термохимической обработки; б - для древесины дуба мореного без предварительной термохимической обработки; в - для древесины дуба натурального с предварительной термохимической обработкой; г - для древесины дуба мореного с предварительной
термохимической обработкой
Результаты экспериментов показывают, что у необработанной древесины дуба, поверхность отклика представлена на рис. 1а, минимальное значение усушки 5 % отмечено при температуре 12-15 °С и относительной влажности воздуха около 15 % и 80-90 %, а также при температуре 8090 °С и относительной влажности воздуха
13-15 % и 80-90 %. Максимальное значение усушки, около 6 %, у древесины дуба натурального отмечено при температуре более 50 °С и относительной влажности воздуха более 52 %.
Термохимическая обработка оказывает влияние на характер усушки древесины, рис. 1в. Минимального значения 3,5 %
12
Лесотехнический журнал 3/2011
усушка достигает в интервале температур от 30-60 °С и относительной влажности воздуха не более 15 % и не менее 85 %. Максимальная - 4 % при температуре не более 20 °С и свыше 80 °С при относительной влажности воздуха 0,45-0,7.
Исследования усушки древесины дуба мореного, поверхность отклика представлена на рис. 1б, показали отличие в характере усушки по сравнению с древесиной дуба натурального. Наибольшая усушка 7 % отмечается при относительной влажности воздуха не более 40 % на всем рассматриваемом интервале температур. При относительной влажности воздуха свыше 70 % величина усушки снижается в том же температурном интервале, а минимальное значение 6 % отмечено при температуре 50 °С и относительной влажности воздуха 60-65 %.
У древесины дуба мореного после термохимической обработки, рис. 1г, отмечена сложная закономерность изменения величины усушки от температуры и относительной влажности обрабатывающей среды. Так минимальное значение достигается при температуре 60 °С и относительной влажности воздуха 0,6, оно составило менее 5 %. При понижении или повышении температуры при одновременном увеличении относительной влажности воздуха отмечено резкое увеличение усушки древесины. Максимальной величины усушка достигается при атмосферной сушке, около 8 %.
Таким образом, анализируя результаты исследований можно сделать вывод о том, что величина усушки у обработанной и необработанной
Лесотехнический журнал 3/2011
и необработанной древесины зависит от температурно-влажностных параметров агента обработки и адекватно описывается уравнениями регрессии второго порядка. Полученные данные могут быть использованы в промышленном производстве при обработке древесины дуба мореного и натурального.
Библиографический список
1. Курьянова Т.К. Исследование усадки древесины дуба в зависимости от режима сушки [Текст] : автореф. ...канд. техн. наук : 05.21.05 / Курьянова Т.К. М., 1981. 24 с.
2. Курьянова Т.К., Платонов А.Д., Аралова О.В., Смирнов П.А. Формоустой-чивость и некоторые механические свойства термохимически обработанной древесины дуба // Деревообрабатывающая промышленность. 2010. № 3. С. 14-16.
