Многоформовый эффект памяти древесины Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

МНОГОФОРМОВЫЙ ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ДРЕВЕСИНЫ

Б.Н. УГОЛЕВ, проф. каф. древесиноведения ФГБОУВПО МГУЛ, д-р техн. наук,

ГА. ГОРБАЧЕВА, доц. каф. древесиноведения ФГБОУ ВПО МГУЛ, канд. техн. наук,

С.Ю. БЕЛКОВСКИЙ, асп. каф. древесиноведения ФГБОУ ВПО МГУЛ

ugolev@mgul.ac.ru, gorbacheva@mgul.ac.ru, belkovskiy@ro.ru

В настоящее время эффект памяти формы обнаружен у широкого круга материалов (сплавы металлов, полимеры, керамика, гели). Материалы с памятью формы способны сохранять временную форму (temporary shape), полученную в результате деформирования при определенных условиях. При возвращении в начальные физические условия образец вспоминает постоянную форму (permanent shape), происходит восстановление начальной формы. Таким образом, образец запоминает две формы - постоянную и временную. В последнее время предложено несколько полимеров, которые запоминают три формы

[9], и появились сведения о полимере, который может запоминать четыре формы [2]. Древесина, представляющая собой комплекс природных полимеров, также проявляет мно-гоформовый эффект памяти формы.

Ранее нами были проведены исследования влияния предыстории деформирования, включающей различные виды нагружения, на проявление эффекта деформационной памяти [1, 3, 7, 8, 10, 11] на древесине березы. В случае, когда образец подвергался последовательному растяжению и сжатию, было показано, что древесина запоминает вид приложенной нагрузки. Были проведены эксперименты на изгибаемых образцах [1, 7, 11]. Переворачиванием изгибаемого образца мы размещаем одну и

Рис. 1. Схема нагружения образца древесины

ту же точку А сначала в растянутую, а затем в сжатую зоны (рис. 1).

На рис. 2а показаны результаты опытов на древесине березы. Здесь (1-2) -растяжение, (2-2) - охлаждение, (2-3) - разгрузка, затем (3-4) - сжатие, (4-4) - охлаждение, (4-5) - разгрузка древесины. На участке 5-6 при нагревании от 18 °С до 40 °С наблюдаемый размер увеличивался, а на участке 5-6 при нагревании от 40 °С до 60 °С - уменьшался. Такое поведение древесины зависит от различного вида термозамороженных деформаций в соответствующих температурных диапазонах.

Схемы на рис. 2б показывают более наглядно изменение прогиба образцов во время эксперимента. Можно видеть после нагревания необычное (но предсказанное) увеличение прогиба образца, предшествующее обычному уменьшению прогиба.

Таким образом, древесина запоминает 3 формы: постоянную и две временные.

Использование предложенного метода визуализации [4] и применение показателей эффекта памяти формы (доля обратимых деформаций) и R (доля фиксированных (сет) деформаций) [6] позволяет более детально и наглядно рассмотреть деформационные превращения древесины при многоформовом эффекте памяти.

На рис. 3 показана схема деформационных превращений в координатах o-s-9, где 9 = 100 - t, падение температуры. Поскольку носителем эффекта памяти древесины являются упруго-эластические деформации, схема не включает пластических деформаций. Все зависимости между напряжениями и деформациями линеаризованы.

Здесь отражена следующая предыстория деформирования:

0- 1 Нагрев до 100 °С,

1- 2 Нагружение левой части образца при 100 °С д° Sq = Sevl

62

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

а)

б) После нагружения - охлаждения - разгрузки

е

0,007

0,006

0,005

0,004

0,003

0,002

0,001

0

-0,001

-0,002

A

60°^40°c

40°^20°C

После нагревания

A 20°^40°C

227 40°^60°C

A

Рис. 2. Эффект деформационной памяти при смене знака нагрузки и изменении температуры

Рис. 3. Схема деформационных превращений при многоформовом эффекте памяти древесины

2- 3 Охлаждение под нагрузкой, s0 =

const,

3- 4 Разгрузка левой части образца при 60 °С совершается после нагружения и охлаждения правой части,

4- 5 Замороженные деформации при охлаждении левой части образца до 60 °С,

5- 6 Нагружение правой части образца при 60 °С,

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

63

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 5. Визуализация многоформового эффекта памяти древесины для образца строганого шпона из древесины бука в направлении вдоль волокон при нагревании

6- 7 Охлаждение правой части образца 60 °С до 0 °С,

7- 8 Разгрузка правой части образца при t = 0 °С,

0-8 Замороженные деформации ef (600 °С)

8-5 Размораживание замороженных деформаций еf правой части (0-60 °С)

4-1 Размораживание замороженных деформаций е левой части (60-100 °С)

Рассмотрим три формы, запоминаемые при многоформовом эффекте памяти,

64

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

на совмещенном графике для одного образца (рис. 4).

Форма 1

0! = 0, Sf = 0.

Нагрев, 0-1 - нагрузка, 1-2 - выдержка, 2-3 - разгрузка, 0-3 отрезок, равный sp, где S - пластические деформации.

Р Е = Eo(1 + Y0), (1)

где E - модуль упругости;

Е0 - модуль упругости при 0 = 0;

Y - коэффициент.

а = Еs , s . = s = const, s = const, где Sevp - величина общей гигро(термо)-меха-нической деформации.

Отрезок

3-2’ R = (s - s )/s (2)

Отрезок

0-4 R = s /s = (s,, + s )/s (3)

f s evp v f p/ evp v y

где Ss - величина сет-деформаций.

Форма 2

0T S/2 = SlY(02 - 01)/(1 + Y02)

Отрезок

3-2’ R2 = (s - s )/s (4)

r2 evp p evp

Отрезок

0-4 Rfl = S1 Y(02 - 01)/(1 + Y02) + Sp/Sevp (5)

Сохранение нагрузки до а1 при 01 (0-

1), выдержка 1-2, охлаждение до 0 разгрузка 2-4, отрезок 4-5, равный sp, отрезок 5-0, равный sf2

Форма 3

^ Sf = S1Y(03 - 02)/(1 + Y03)

Отрезок

3-2’ R 3 = (s - s )/s (6)

r3 evp p evp

Отрезок

0-4 Rf3 = S1Y(03 - 02)/(1 + Y03) + Sp/Sevp (7)

На совмещенных графиках медленное нагружение до а2 при 02 (0-6), выдержка, равная примерно продолжительности охлаждения (6-7), охлаждение (7-7) до 03, отрезок

8-9 соответствует sp, отрезок 9-0 соответствует s/3.

Экспериментальные исследования были проведены на образцах строганого, лущеного и файн-лайн шпона из древесины березы, бука, сосны и обече. Влажность древесины была выше 100 %, температура изменялась в преде-

лах 0-100 °С [5]. Визуализация многоформового эффекта памяти древесины представлена на рис. 5. Можно заметить, что процесс восстановления начальной формы - ступенчатый, древесина последовательно вспоминает исходную форму. При нагревании древесины от 2 до 60 °С исчезают термозамороженные деформации левой части, при дальнейшем повышении температуры от 60 до 100 °С восстанавливает форму правая часть. Величина остаточных деформаций выше у правой части, что связано с большей деформативностью древесины при температуре 100 °С.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что древесина способна проявлять многоформовый эффект памяти. Подобное поведение наблюдается у некоторых полимеров и связано с наличием нескольких фазовых или релаксационных переходов. В древесине - сложном природном композите - возможны многочисленные и разноообразные переходы состояний различных структурных единиц. Полученные закономерности могут быть использованы при разработке умных, экологически дружественных материалов на основе древесины.

Библиографический список

1. Горбачева, Г.А. Деформационные превращения древесины при изменении нагрузки, влажности и температуры: дисс. ... канд. техн. наук / Г.А. Горбачева. - М.: МГУЛ. -2004. - 198 с.

2. Полимер с памятью в четыре формы http:// www. nature .com/nature/joumal/v464/n7286/fun/ nature08863.html

3. Уголев, Б.Н. Наноструктурные изменения древесины как природного «умного» материала. Нанотехнологии и наноматериалы в лесном комплексе: монография / Б.Н. Уголев. - М.: МГУЛ, 2011. - С. 52-73.

4. Уголев, Б.Н. Визуализация эффекта памяти древесины в шпоне / Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, С.Ю. Белковский // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 353 Технология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2011. - С. 226-232.

5. Уголев, Б.Н. Количественная оценка эффекта памяти дреевсины / Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, С.Ю. Белковский // Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: Матер. международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры механической технологии древесины КГТУ - Кострома: КГТУ, 2012, - С. 38-42.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

65

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

6. Уголев, Б.Н. Параметры эффекта памяти древесины / Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, С.Ю. Белковский // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 358 Технология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2012. - С. 9-13.

7. Уголев, Б.Н. Некоторые результаты экспериментального исследования термомеханических деформаций древесины / Б.Н. Уголев, Н.В. Скуратов, Г.А. Горбачева // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 312 Технология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2000, - С.15-18.

8. Скуратов, Н.В. Анализ методов контроля качества сушки пиломатериалов/ Н.В. Скуратов, А.В. Про-

тасова // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 3.

- 2012. - С. 96-99.

9. Lendlein A., Kelch S. Shape-Memory Polymers. Reviews. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2034

- 2057.

10. Ugolev B.N. Academy lecture «Wood as natural smart material», http://www.iaws-web.org/files/file/2009-SaintPetersburg_academy_lecture_ugolev.pdf

11. Ugolev B.N., Skuratov N.V, Gorbacheva G.A. The Influence of Deformation Prehistory upon the “Memory Effect”of Wood Proc. of 4th IUFRO Symposium «Wood Structure and Properties '02». Eds. J. Kudela, S, Kurjatko. Zvolen, Slovakia, 2002, - р. 145-149.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ДРЕВЕСИНЫ

Б.Н. УГОЛЕВ, проф. каф. древесиноведения ФГБОУВПО МГУЛ, д-р техн. наук Г.А. ГОРБАЧЕВА, доц. каф. древесиноведения ФГБОУ ВПО МГУЛ, канд. техн. наук С.Ю. БЕЛКОВСКИЙ, асп. каф. древесиноведения ФГБОУ ВПО МГУЛ

ugolev@mgul.ac.ru, gorbacheva@mgul.ac.ru, belkovskiy@ro.ru

Доминантным признаком умных материалов является «эффект памяти формы». Этот эффект заключается в том, что упомянутые материалы после принудительного изменения формы способны восстанавливать первоначальную форму в результате возвращения исходного физического состояния. Этот эффект наблюдается в сплавах металлов, керамике. В последнее десятилетие проводятся масштабные исследования эффекта памяти в полимерах [2, 3, 9-12]. Комплексный биополимер - древесина - является природным умным материалом, поскольку она обладает этим доминантным признаком. Эффект памяти древесины на деформационные превращения был экспериментально обнаружен в конце 70-х годов [8, 14]. Дальнейшие исследования различных аспектов этого явления имели, в основном, феноменологический, качественный характер. Обзор полученных результатов был приведен в Академической лекции [13] и последующих работах МГУЛ [5, 16].

Материалы и методика исследований

Для количественной оценки этого доминантного признака древесины как природного умного материала можно использовать показатели, применяемые для полимеров с эффектом памяти формы [11]:

- Rr - доля обратимых деформаций, которая показывает способность материала запоминать постоянную форму и является мерой восстановления деформации, полученной в результате механического воздействия (programming) .

- Rf - доля фиксированных (сет) деформаций, которая отражает способность фиксировать механическую деформацию и тем самым запоминать временную форму.

Доля обратимых деформаций Rr отражает степень восстановления исходной формы образца

R = (в - в )/s , (1)

где Bm - максимальная деформация, получе-ная в результате механического воздействия;

Bp - необратимая пластическая деформация.

Доля фиксированных (сет) деформаций Rf определяется как отношение деформации, остающейся после снятия напряжений, к величине максимальной деформации

R, = в /в , (2)

где ви - деформация после снятия нагрузки.

В зависимости от назначения полимера регулируют диапазон изменения показателей Rr и Rf [12].

66

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014