CC BY
83
весиной ультразвука, дают возможность прогнозировать оптимальные технологические параметры режимов ультразвукового воздействия на образец в тех или иных конкретных случаях.
Библиографический список
1. Шамаев В.А. Химико-механическое модифицирование древесины. - Воронеж: ВГЛТА. 2003. 260 с.
2. Богомолов Б.Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений. - М.: Химия. 1973. 400 с.
3. Постников В.В., Камалова Н.С., Кальченко С.В. Ультразвуковая пластифи-
кация лигнина в модифицированной древесине // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. №9. С. 1375-1376.
4. Физические основы ультразвуковой технологии // Сборник статей под ред. Розенберга Л.Д. - М: Наука. - 1970. - 688с.
5. Евсикова Н.Ю., Камалова Н.С., Матвеев Н.Н., Постников В.В. Новый подход к определению степени кристалличности целлюлозы в древесине // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. № 9. С. 1373-1374.
6. Полянин А.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. - М.: Физ.-мат. литература. 2001. 575 с.
УДК 620:674.049
ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОФОБИЗИРУЮЩИХ И МОДИФИЦИРУЮЩИХ СОСТАВОВ ДЛЯ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСНОГО АРМИРУЮЩЕГО
ЗАПОЛНИТЕЛЯ
Т. Н. Стородубцева, В. И. Харчевников, А. И. Томилин, К. В. Батурин
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
tamara-tns@yandex.ru
Древесина - основная продукция лесов. Ее потребляют все отрасли народного хозяйства. Она прочна и легка, имеет хорошие теплоизоляционные свойства, способность без разрушения поглощать энергию при ударных нагрузках, гасить вибрации. Древесина легко поддается механической обработке, склеиванию, удерживает металлические и другие крепления, обладает уникальной резонансной способностью. Она используется для производства строительных деталей и конструкций, домов, мебели, музыкальных инструментов,
тары и спортивного инвентаря, в качестве шпал, крепи для угольной и горно-рудной промышленности, а также для многих других целей [1].
Древесина представляет собой совокупность множества высоко- и низкомолекулярных соединений, образующих природный полимерный материал клеточно-волокнистого строения с развитой пористой структурой. По качеству многие виды древесины даже в пределах одной породы далеко неравнозначны. Максимальное использование потенциальных возможностей
этого материала в композитах, работающих в неблагоприятных для нее условиях, прибегают защите древесины от воды различными гидрофобизаторами [2].
Наиболее существенная особенность гидрофобизации древесины заключается в том, что состав не просто заполняет свободные пространства в пористой структуре материала, а взаимодействует с органическими веществами, образующими древесное тело.
Древесина содержит капилляры и поры различных размеров. Крупные капилляры могут заполняться водой, которая мало влияет на состояние древесины и ее качество как строительного материала. Она сравнительно легко проходит в капилляры и поры, заполняет полости и может составлять 100...200 % к массе абсолютно сухой древесины, но она также сравнительно быстро и легко удаляется из них при сушке.
Тонкие поры и капилляры заполняются водой не только при контакте с ней, но и в условиях влажного воздуха, в связи с гигроскопичностью древесины и по законам капиллярных сосудов. Эта гигроскопическая влага сорбируется на стенках клеток и частично переходит в коллоидно -связанное состояние с веществом дерева.
Насыщение волокон древесины гигроскопической влагой составляет в среднем 30 % к массе абсолютно сухой древесины (Ж„.н=30 %), называемое точкой насыщения. Насыщение гигроскопической влагой до этой точки сопровождается набуханием древесины и ухудшением ее физико-механических свойств. Увеличение влажности после 30 % ее содержания в
древесине почти не отражается на свойствах последней и, что самое главное, не увеличивается ее объем за счет разбухания
[3].
При пропитке древесины антисептиками сроки службы шпал составляют 13.19 лет. В связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей они снижаются до 8.10 лет. Основными причинами этого являются механический износ и гниение древесины. Для достижения максимальных возможностей использования древесного материала для изделий и конструкций, работающих в неблагоприятных условиях, прибегают к различным способам ее модификации и защитной обработки. В настоящее время проводятся активные поисковые исследования по расширению сырьевой базы веществ, используемых для защиты древесины.
Решение о выборе состава для пропитки древесины связано со многими и часто взаимно исключающими требованиями, предъявляемыми к нему. Состав должен: достаточно быстро проникать в древесину; защищать ее в течение всего срока эксплуатации от гниения; не препятствовать хотя бы механической адгезионной связи между древесиной и полимерной матрицей; содержать минимальное количество компонентов; быть достаточно технологичным и дешевым; соответствовать требованиям экологической и пожарной безопасности [4, 5].
На кафедре сопротивления материалов ВГЛТА для пропитки древесины использовались различные гидрофобизиру-ющие составы [4], т.е. древесина была обработана каучуком в керосине, раствором низкомолекулярного полиэтилена в керо-
сине, дивинилстирольным термоэласто-пластом плюс канифоль в уайт-спирите
(рис. 1); латексом, отработанным машинным маслом и полимерным лаком КОРС (рис. 2).
I
X
3 N /
N У/
1 Л
/
/ —/ /
2
1
10
20
30
«О
»
100
110 120
130
Врг.мя пМЛфАКИ II поле I. ч
Рис. 1. Зависимость водопоглощения образцов древесины от времени выдержки их в воде: 1 - каучуком в керосине; 2 - раствором низкомолекулярного полиэтилена в керосине; 3 - дивинилстирольным термоэластопластом плюс канифоль в уайт-спирите
43
£ £
м
10
- 3
2
____
1
10
и
40
43
50
20 25 30 35
Врсма выдер*Ю1 в вол« и ч
Рис. 2. Зависимость водопоглощения образцов древесины от времени выдержки в воде, обработанной латексом (1), отработанным машинным маслом (2) и лаком КОРС (3)
Проведенный анализ обработки древесины рассмотренными выше составами приводит к выводу, что наиболее приемлемым является раствор каучука в керосине и отработанное машинное масло, которые способны защитить древесину от гниения, примерно через 15.. .18 часов наступает предел насыщения, равный 30 %, и, что немаловажно, дешевы.
В работе Семенова В.В. [6] была исследована эффективность гидрофобизации
образцов древесины из сосны кремнийор-ганическими мономерами (метилтрихлор-силан, диметилдихлорсилан, фенилтри-хлорсилан) и кремнийорганическими жидкостями (лак К0-075, смола 134-276) (табл. 1).
В работе Чёрной А.Н. [7] исследована эффективность обработки древесины модифицированной смолой фракции С9 (табл. 2).
Таблица 1
Гидрофобизация древесины сосны кремнийорганическими мономерами и жидкостям
Гидрофобизатор Водопоглощение через 2 ч, %
Без обработки 54
МТХС 2
ФТХС 1
Лак К0-075 6
Смола 134-276 4
ДМДХС 3
Таблица 2
Гидрофобизация образца древесины из березы, модифицированной смолой фракции С9
Гидрофобизатор Водопоглощение через 30 сут, %
Нефтеполимерная смола фракции С9 46.49
Авторами были проведены испытания по определению водопоглощения образцов древесины хвойных и лиственных пород по ГОСТ 16483.20-72, выдержанных в воде в течение 90 дней (табл. 3). Часть образцов была обработана низкомолеку-
лярным полиэтиленом (первый состав) и составом, полученным из отходов пластиковых бутылок (второй состав) (в таблице помечены *; х - хвойные породы, л - лиственные породы. Значения водопоглощения для промежутка 30.70 дней не показаны).
Таблица 3
Изменение водопоглощения образцов древесины хвойных и лиственных пород _в течение 90 дней_
№ п/п Водопоглощение % через количество
2 часа суток
1 2 5 6 9 13 20 80 90
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 (х) 34,93 49,50 56,29 81,63 86,43 95,41 103,3 112,17 147,7 151,89
Окончание табл. 3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2*(х) 23,52 29,71 32,04 37,82 40,99 47,59 52,27 57,63 85,83 88,72
3* (х) 22,4 28,55 29,72 35,43 39,09 43,63 50,8 59,88 91,5 94,58
4* (х) 8,87 19,75 25,87 30,25 32,37 35,00 37,25 42,12 67,62 70,25
5* (л) 13,45 16,19 20,3 25,99 28,5 31,12 34,66 39,91 61,34 62,37
6 (л) 30,83 44,25 51,36 70,12 74,08 88,51 93,96 106,2 130,7 134,9
7 (х) 30,45 46,76 52,65 74,26 79,76 89,19 95,28 106,9 144,4 148,3
8* (л) 22,81 28,29 41,68 55,13 58,74 65,10 70,78 76,68 82,11 85,64
Как видно из табл. 3, за 90 суток необработанные образцы набрали от 134 до 151 % воды, а обработанные гидрофобиза-торами - от 62 до 94 %, причем предел насыщения древесины достиг 30 % только через сутки. Также необходимо отметить, что водопоглощение лиственных пород
ниже, чем у хвойных, что наглядно продемонстрировано в табл. 3.
С использованием программы MathCAD 14 построен график зависимости водопоглощения образцов древесины от времени выдержки их в воде (рис. 3).
I- -
Г
1
(
Щ в • г' 1 г ~ __ _. _ -—- - --- - -:
___. 'г '
и г" * ~ — -•" — — ---- —' — — - - - ---
А ,------- -------
I г 1 « I * ' » ? ю и и
1, дни
Рис. 3. График зависимости водопоглощения образцов из древесины от времени
выдержки их в воде (13 суток):
......- необработанные образцы;--обработанные первым составом образцы;
------- обработанные вторым составом образцы
На основе результатов эксперимента при помощи программы 81а1181;юа 6.0 были установлены модели для некоторых кривых графика зависимости время - водопоглощение, определена значимость коэффициентов этих моделей, и построены регрессионные кривые (рис. 4).
z:=(0.083, 0.093...90).
Y(z):=S1з+Sl4•z+Sl5•z2+Sl6•z3.
Рис. 4. Теоретические и экспериментальные кривые время - водопоглощение для
необработанного образца древесины
Модели позволяют найти любые значения У для х в заданном интервале (в данном случае 0,083.90).
Для значимости полученных коэффициентов, сравним значение уровня значимости (графа р-уров.) с уровнем а=0,05, взятым из табл. 5 для числа степеней сво-
Далее был произведен регрессионный анализ (табл. 4, 6, 7).
Таблица 4
боды Л./.=п-т-1=6. Для всех 4 коэффициентов р<1 %. Поэтому справедлив вывод о том, что полученные коэффициенты статистически значимы и надежны.
Таблица 5
Значения ¿-критерия Стьюдента при уровне значимости 0,10; 0,05; 0,01
(двухсторонний)
Число степеней свободы л./. а Число степеней свободы л./. а
0,10 0,05 0,01 0,10 0,05 0,01
1 6,3138 12,706 63,657 18 1,7341 2,1009 2,8784
2 2,9200 4,3027 9,9248 19 1,7291 2,0930 2,8609
3 2,3534 3,1825 5,8409 20 1,7247 2,0860 2,8453
4 2,1318 2,7764 4,6041 21 1,7207 2,0796 2,8314
5 2,0150 2,5706 4,0321 22 1,7171 2,0739 2,8188
6 1,9432 2,4469 3,7074 23 1,7139 2,0687 2,8073
7 1,8946 2,3646 3,4995 24 1,7109 2,0639 2,7969
8 1,8595 2,3060 3,3554 25 1,7081 2,0595 2,7874
9 1,8331 2,2622 3,2498 26 1,7056 2,0555 2,7787
10 1,8125 2,2281 3,1693 27 1,7033 2,0518 2,7707
11 1,7959 2,2010 3,1058 28 1,7011 2,0484 2,7633
12 1,7823 2,1788 3,0545 29 1,6991 2,0452 2,7564
13 1,7709 2,1604 3,0123 30 1,6973 2,0423 2,7500
14 1,7613 2,1448 2,9768 40 1,6839 2,0211 2,7045
15 1,7530 2,1315 2,9467 60 1,6707 2,0003 2,6603
16 1,7459 2,1199, 2,9208 120 1,6577 1,9799 2,6174
17 1,7396 2,1098 2,8982 оо 1,6449 1,9600 2,5758
Результаты пе
рвого анализа
Коэффициент Оценка Станд. ош. ¿-знач. сс=6 р-уров. Нижн. дов. предел Верхн. дов. предел
а0 49,85265 4,703572 10,59889 0,000000 39,50016 60,20514
а\ 4,74686 0,661404 7,17695 0,000018 3,29112 6,20260
а2 -0,08486 0,018903 -4,48945 0,000917 -0,12647 -0,04326
аэ 0,00050 0,000142 3,55209 0,004535 0,00019 0,00082
г:=(0.083, 0.093...90).
2-Х
Рис. 5. Теоретические и экспериментальные кривые время - водопоглощение для образца древесины, обработанного первым составом
Таблица 6
Результаты второго анализа_
Коэффициент Оценка Станд. ош. ¿-знач. сс=6 р-уров. Нижн. дов. предел Верхн. дов. предел
ао 19,30076 4,936894 3,90949 0,002436 8,434731 30,16679
а1 4,13906 0,694213 5,96224 0,000094 2,611109 5,66701
а2 -0,08016 0,019841 -4,04040 0,001947 -0,123833 -0,03650
а3 0,00049 0,000149 3,28969 0,007209 0,000162 0,00082
Для оценки значимости полученных коэффициентов также можно воспользоваться ¿-критерием Стьюдента (графа 7-знач.). Табличное значение ¿-критерия с уровнем значимости а=0,05 и числом степеней свободы ё./.=п-ш-1=6: 7т=2,44.
Сравним значения 7р и 7т для каждого из полученных параметров:
7р=3,9>7т - для свободного члена а0; 7р=5,96>7т - для коэффициента а\, 7р=|—4,04|>7т - для коэффициента а2; 7р=3,28>7т - для коэффициента а3.
Полужирным шрифтом выделены статистически значимые коэффициенты. В данном случае все таковые и их следует включать в модель.
z:=(0.083, 0.093...90).
Y(z):=S1з+Sl4•z+Sl5•z2+Sl6•z3.
Рис. 6. Теоретические и экспериментальные кривые время - водопоглощение для образца
древесины, обработанного вторым составом
Таблица 7
Результаты третьего анализа_
Коэффициент Оценка Станд. ош. ^знач. сс=6 ^-уров. Нижн. дов. предел Верхн. дов. предел
а0 16,68379 1,207787 13,81352 0,000000 14,02547 19,34211
а1 1,64484 0,169836 9,68488 0,000001 1,27103 2,01864
а2 -0,02803 0,004854 -5,77512 0,000124 -0,03872 -0,01735
а3 0,00017 0,000036 4,78429 0,000567 0,00009 0,00025
^=13,81>т - для свободного члена а0; ¿р=9,68>т - для коэффициента а1; tр=|- 5,77|>т - для коэффициента а2; ¿р=4,78>т - для коэффициента а3.
Полученные коэффициенты статистически значимы и надежны.
Древесина, являющаяся природным композитом, очень чутко реагирует на воду, проникающую в нее различными путями, особенно если она высушена, как это имеет место при использовании ее в каче-
стве армирующего заполнителя древесно-стекловолокнистого композиционного материала на ФАМ [8]. Следует учитывать также, что давление стесненного набухания древесины сосны, заключенной в полимерную оболочку, может вызвать ее разрушение, если древесина не подвергнута соответствующей обработке.
Нами выполнен краткий обзор некоторых существующих гидрофобизирую-щих составов для древесины.
В результате проведения экспериментальных исследований по определению водопоглощения древесины хвойных и лиственных пород, выяснилось следующее: древесина стремительно набирает влагу в течение первых 2 часов; из рассмотренных гидрофобизирующих составов наиболее приемлемым является первый состав, который лучше снижает водо-поглощение древесины. Нами экспериментально подтверждено, что лиственные породы набирают влагу медленнее хвойных, и их максимальная влажность ниже.
С использованием программ МаШСАО 14 и Statistica 6.0 найдены модели некоторых кривых графика водопогло-щение-время, позволяющие определить любое значение водопоглощения в любой момент времени для участка наших испытаний. Определены значимости коэффициентов для моделей.
Библиографический список
1. Уголев Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение. - М. : Издательский центр «Академия», 2006. 272 с.
2. Хрулев В.М. Технология и свойства композиционных материалов для строительства. - Уфа: ТАУ, 2001. 168 с.
3. Стородубцева Т.Н. Строительные древесностекловолокнистые композиционные материалы для изделий специального назначения: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Воронежский государственный ар-
хитектурно-строительный университет. Воронеж, 2005. 43 с.
4. Древесностекловолокнистые композиционные шпалы / В.И. Кондращенко, В.И. Харчевников, Т.Н. Стородубцева, [и др.] / под ред. В.И. Харчевникова. - М. : Спутник+, 2009. 311 с.
5. Стородубцева Т.Н. Харчевников В.И., Томилин А.И. Зависимость механических характеристик древесины сосны и полимерной матрицы композиционного материала от влияния температуры // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2012. № 3. С. 83-85.
6. Семенов В.В. Гидрофобизация древесно-стружечных и древесноволокнистых плит кремнийорганическими мономерами и жидкостями // Химия растительного сырья. 2009. № 4. С. 177-181.
7. Чёрная А.Н. Применение модифицированной нефтеполимерной смолы для защитной обработки древесины // Технология и оборудование деревообработки в XXI веке : межвузовский сборник научных трудов / Воронежская государственная лесотехническая академия. - Воронеж, 2008. Вып. 4. С. 73-75.
8. Стородубцева Т.Н. Композиционный материал на основе древесины для железнодорожных шпал: Трещиностой-кость под действием физических факторов: моногр. - Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2002. 216 с.
