CC BY
4
УДК 674.047
Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. XXXVI, № 4. С. 360-365
РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ СНИЖЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ ПОЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ
В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ЛИСТВЕННИЦЫ
Ш. Г. Зарипов1, В. А. Корниенко2
^есосибирский филиал
Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 662543, г. Лесосибирск, ул. Победы, 29 E-mail: zaripov_sh@mail.ru
2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: kornvlad@mail.ru
Одной из основных эксплуатационных характеристик клеёных изделий из древесного массива - сохранение формы и размеров. Особенно остро данная проблема просматривается при эксплуатации изделия из древесины лиственницы. В настоящее время разработан комплекс мероприятий (конечная влаготеплообработка, кондиционирование), применение которого позволяет в определённой мере снизить вероятность появления в готовом изделии покоробленности и трещин. Однако эффективность указанных мероприятий применительно к заготовкам из древесины лиственницы очень незначительна - наблюдается покоробленность изделия, возникают трещины. Поэтому есть необходимость данную проблему дополнительно изучить.
Для этого древесина рассматривается в виде системы релаксаторов (микрофибриллы, фибриллы), положение в пространстве и подвижность которых во многом зависит от толщины водяной плёнки. Период окончания конвективной сушки древесины характеризуется повышенным значением энергии термического возбуждения, а также повышенной степенью разбалансированности системы по влажности. Считается, что если выровнять влажность по сечению доски, то этого будет достаточно для приведения системы в сбалансированное состояние. Однако на практике не всё так однозначно - выравнивание влажности по сечению лиственничной доски не гарантирует её целостность и стабильность формы в процессе дальнейшей эксплуатации клеёного изделия. На основании вышесказанного была сформулирована цель работы: на основании полученных данных разработать комплекс мероприятий по снижению вероятности появления дефектов в клеёном изделии из древесины лиственницы.
Для стабилизации формы и размеров клеёного изделия из древесины лиственницы предлагается выдерживать пиломатериалы после сушки 30...35 суток при температуре, которая соответствует уровню температуры эксплуатации изделия. За указанный промежуток времени релаксаторы примут сбалансированное положение - реализуются все возможные деформации. Это значит, что пиломатериалы готовы к дальнейшей переработке.
Ключевые слова: лиственница, сушка, влаготеплообработка, релаксатор, сбалансированность.
Conifers of the boreal area. 2018, Vol. XXXVI, No. 4, P. 360-365
ELABORATION OF MEASURES REDUCING THE PROBABILITY OF OCCURRENCE OF DEFECTS IN PRODUCTS MADE OF LARCH
Sh. G. Zaripov1, V. Kornienko2
1Lesosibirsk branch of Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 29, Pobedy Str., Lesosibirsk, 662543, Russian Federation E-mail: zaripov_sh@mail.ru 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: kornvlad@mail.ru
One of the main operational characteristics of glued products from wood massif is the preservation of shape and size. This problem is especially acute when using a larch wood product. At present, a set of measures has been developed (final heat treatment, conditioning), the use of which allows, to a certain extent, to reduce the probability of warping and cracks in the finished product. However, the effectiveness of these measures in relation to the workpieces made of larch wood is very insignificant - the product warps and cracks occur. Therefore, there is a need to study this problem further.
For this, wood is considered as a system of relaxators (microfibrils, fibrils), the position in space and mobility of which largely depends on the thickness of the water film. The period of the end of convective drying of wood is characterized by a high value of thermal excitation energy, as well as a high degree of imbalance of the system in terms of humidity. It is believed that if you align the humidity over the cross section of the board, then this will be enough to bring the system into a balanced state. However, in practice, everything is not so simple - leveling the moisture across the cross section of a larch board does not guarantee its integrity and form stability during the further operation of the glued product. In view of the above, the purpose of the work was formulated: on the basis of the data obtained, develop a set of measures to reduce the probability of defects in a glued product made of larch wood.
To stabilize the shape and size of the glued larch wood product, it is proposed to season the sawn timber after drying for 30... 35 days at a temperature that corresponds to the temperature level of the product operation. For a specified period of time, relaxators will take a balanced position - all possible deformations are realized. This means that the lumber is ready for further processing.
Keywords: larch, drying, moisture and heat treatment, relaxator, balance.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность данной проблемы не вызывает сомнений. Это связано с тем, что одним из основных недостатков в клеёных изделиях из древесины вообще и лиственницы в частности - это появление дефектов в виде различного вида трещин и коробления.
Данная проблема рассматривалась во многих работах. Результаты исследований в обобщённом виде периодически представлялись в руководящих и технических материалах по технологии камерной сушки древесины (РТМ). Согласно последней редакции РТМ, все высушенные пиломатериалы разделяются по категориям качества - I, II, III. Каждой категории качества соответствует средняя влажность (WK), отклонение влажности отдельных досок от средней влажности штабеля пиломатериалов (AWm), перепад влажности по толщине доски (AWm) а также условный показатель остаточных напряжений (Ad).
Выполнение требований по представленным в РТМ значениям показателей позволяют сохранить форму, размеры и целостность заготовок в готовом изделии в процессе эксплуатации. Для достижения необходимых результатов предлагается комплекс мероприятий, который не зависит от породы древесины. В основу мероприятий заложены трёхступенчатые режимы для сушильных камер периодического действия. Проведение промежуточной и конечной влаготеплообра-ботки (ВТО), а также кондиционирование позволяет, по мнению разработчиков технологии сушки, значительно выровнять влажность как по толщине доски, так и по штабелю высушиваемых пиломатериалов.
Указанный перечень технологических операций позволяют с определённой эффективностью получить черновые заготовки необходимой категории качества для производства изделий из пиломатериалов таких пород как сосна, ель и др. Как показывает практика производства и эксплуатации клеёных изделий из древесины лиственницы перечень предлагаемых РТМ мероприятий для стабилизации формы и размеров заготовок в готовом изделии недостаточно. В результате наблюдаются случаи, когда в течение первых недель эксплуатации изделие коробится или в нём появляются трещины.
Поэтому есть необходимость данную проблему рассмотреть дополнительно для древесины лиственницы. Решение вопроса формирования дефектов в древесине во времени необходимо рассматривать
в плоскости реологии древесины в зависимости от содержания в ней влаги.
Цель работы: на основании полученных данных разработать комплекс мероприятий по снижению вероятности появления дефектов в клеёном изделии из древесины лиственницы.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для более полного понимания деформирования древесины во времени необходимо обратить внимание на одну из важнейших функций состояния системы - внутреннюю энергию. Внутренняя энергия складывается из энергии термического возбуждения, энергии химических связей, а также энергии некова-лентных взаимодействий [4]. В работе будет обращено внимание влиянию нековалентных взаимодействий на напряжённо-деформированное состояние (НДС) древесины лиственницы.
Период окончания конвективной сушки древесины характеризуется повышенным значением энергии термического возбуждения, а также повышенной степенью разбалансированности системы по влажности. Считается, что если выровнять влажность по сечению доски, то этого будет достаточно для приведения системы в сбалансированное состояние. Однако на практике не всё так однозначно - выравнивание влажности по сечению лиственничной доски не гарантирует её целостность и стабильность её формы в процессе дальнейшей эксплуатации клеёного изделия.
Для изучения данной проблемы древесина представляется в виде системы релаксаторов - субмикро-фибрилл, микрофибрилл, фибрилл [8]. Такой подход обосновывается неоднородностью строения древесины, которая характеризуется не только разнообразием компонентов, входящих в состав древесины, но также их формой и размерами. Каждый релаксатор имеет определённую форму, размер, что предопределяет его подвижность.
Оценка энергии взаимодействия релаксаторов. Каждый релаксатор обосабливается водяной плёнкой, толщина которой варьируется от толщины 1-й молекулы воды %) до максимально насыщенного состояния клеточной стенки (WД = 30-35 %) [8]. Из вышесказанного следует, что древесина, являясь твёрдым телом, может рассматриваться как вязкий раствор, в котором процессы перегруппировки релаксаторов растянуты во времени.
Тогда задача сводится к определению степени раз-балансированности древесины, зависящего от процессов удаления влаги, а также её температуры и влажности в данный момент времени. В этой связи на передний план выдвигается вопрос о факторах, посредством которых возможно возвращение системы в сбалансированное состояние, которое гарантирует стабилизацию формы, размеров заготовок в готовом клеёном изделии.
Следовательно, для оценки НДС древесины как в каждой точке системы, так и в целом необходимо знать не только величину отклонения определённой группы релаксаторов от положения покоя, но также требуемое время возврата в положение покоя.
Решающую роль в этих процессах играет влага, количество которой в древесине постоянно меняется в зависимости от внешних условий. Схематично удаление влаги из древесины представлено на рис. 1.
Целлюлоза
Л О
VИ
. . О
И И И, И И
О
О
и и и и
_О_
Целлюлоза
Целлюлоза
I I
О О
V И И
- О О
О , о
И и, и и
Л_О_
Целлюлоза
Целлюлоза
I I
о О
\И \И
Целлюлоза
Е =
(- X«)•
(1)
в электрическом поле действует пара сил, стремящаяся развернуть диполь по направлению поля, ориентируя тем самым положение релаксатора в пространстве (рис. 3). Сила, действующая между двумя релаксаторами, обладающими точечными зарядами Q1 и Q2 и находящимися на определённом расстоянии г друг от друга, в первом приближении может быть рассчитана по закону Кулона [4].
а • 62
4-я-еп • г
2
(2)
Рис. 1. Схема удаления воды из древесинного вещества [9]
Из рис. 1 видно, что влага в древесине создаёт не только раствор, но также и устанавливает некоторую подвижность релаксатора через энергию взаимодействия и способствует возникновению электрического поля определённой напряжённости е. Представляя релаксатор в виде эллипса [8], можно с высокой долей вероятности предположить, что он обладает наведённым диполем. Тогда его положение в растворе будет устанавливаться толщиной водяной плёнки (рис. 2) и наведённым дипольным моментом (рис. 3).
Оценить энергию диполь-дипольных взаимодействий в зависимости от толщины водяной плёнки можно по формуле [4]
где а - количественная характеристика Ван-дер-Ваальсова притяжения^- расстояние между релаксаторами.
Из формулы (1) следует, что энергия связи существенно снижается с увеличением толщины водяной плёнки. Так, притяжения между релаксаторами принимают существенное значение уже на довольно больших расстояниях г (-10 нм), и достигает максимального значения при г = (3-5) нм. Энергия Ван-дер-Вааль-сового взаимодействия в среднем колеблется в пределах (0,155-5) кДж/моль. Водородные связи между релаксаторами реализуются на более близких расстояниях г = (0,27-0,28) нм и достигает 28 кДж/моль [7].
В электрическом поле у всех релаксаторов в результате их поляризуемости возникают направленные по полю наведённые дипольные моменты ре. Как следствие, на полученные дипольные моменты
Из формулы (2) следует, что сила взаимодействия между релаксаторами снижается обратно второй степени водяной плёнки г.
Таким образом, в каждом временном отрезке устанавливается определённое равновесное состояние элементов надмолекулярной структуры при данной толщине водяной плёнки г. Отсюда следует, что энергия Ван-дер-Ваальсового взаимодействия будет увеличиваться с уменьшением содержания связанной влаги и достигнет максимального значения при толщине водяной плёнки равной 3 нм.
На близких расстояниях наряду с силами Ван-дер-Ваальсового притяжения действуют силы отталкивания между одноименно заряженными электронными оболочками, которое описывается уравнением потенциала Леннарда-Джонса [4].
и=--а+А
6 12 ' Г Г
где а^6 - выражение, описываемое энергию притяжения; Р/г12 - выражение, описываемое энергию отталкивания.
В результате такого баланса сил, поверхности элементов древесинного вещества сближаются лишь до определенного минимального расстояния, отвечающего равенству сил притяжения и отталкивания, т. е. минимуму энергии взаимодействия.
Распределение влажности в лиственничных пиломатериалах, прошедших сушку. На процесс формирования распределения влажности по сечению лиственничных пиломатериалов оказывает значительное количество факторов. Данный вопрос рассматривался нами ранее в ряде работ. Здесь только укажем на то, что интенсивность удаления влаги из древесины лиственницы величина, которая варьируется в широком диапазоне (см. таблицу).
Анализ представленных в таблице данных указывает на то, что скорость удаления воды при одной и той же структуре режима сушки высушиваемой партии пиломатериалов различается в 2,5 раза (0,3/0,12). Среднее значение интенсивности изменения влажности в партии досок варьируется от 0,12 %/ч до 0,3 %/ч [1].
Следовательно, на процесс вывода влаги из древесины лиственницы оказывает существенное влияние определённая система факторов, характерная только для древесины лиственницы. Таким фактором является наличие в древесине лиственницы группы водорастворимых веществ, которые способны создавать в процессе сушки на поверхности доски уплотнённый слой переменной толщины. Этот слой способен снижать интенсивность вывода влаги в несколько раз [1].
Водородная
Элементы древесинного
+ г = уаг к _
\ г
Силы! ван- дер- ваальса
Рис. 2. Схема взаимодействия элементов древесинного вещества [2]
Р=-Ог -О
Рис. 3. Пара сил, действующих на электрический диполь в электрическом поле напряжённостью 6 [4]
Период формирования этого слоя достаточно сложно предсказать как по месту, так и по времени, так как указанная группа веществ распределяется по стволу дерева по некоторой закономерности, которую сложно предугадать при раскрое бревна. Как следствие по длине доски эти вещества распределяются крайне неравномерно.
В результате в пиломатериалах, прошедших сушку сверхмягкими режимами (^ = 40-60 °С, ф = 87-90 %) имеет место повышенная степень разбалансированности по влажности - перепад влажности по сечению доски составил 15 % (кривая 2, рис. 4), и как следствие по НДС древесины. Поэтому пиломатериалы не соответствует никаким категориям качества по системе РТМ.
Разработка мероприятий по снижению разбалан-сированности по НДС. Из приведённых данных видно, что решить проблему путём совершенствования режимов сушки не представляется возможным, так как экстракция водорастворимых веществ из древесины лиственницы уже начинается с tс = 25 °С [3]. Проведение различного вида влаготеплообработки также не решают проблемы, так как ВТО является одной из ступеней сушки. Поэтому перепад влажности сохраняется.
Проанализировав основные факторы, оказывающие влияние на формирование перепада влажности по сечению лиственничной доски были предложены и экспериментально апробированы следующий перечень мероприятий, который заключается в следующем:
- на первом этапе следует снизить температуру древесины до уровня, при которой предполагается эксплуатировать изделие, что позволяет снизить величину термического дисбаланса системы;
- на втором - предусмотреть время выдержки не менее 30-35 суток. В течение указанного временного отрезка релаксатор любого размера сможет занять место с минимальными энергетическими значениями.
Такой подход объясняется следующим. Интенсивность вывода водного раствора экстрактивных веществ из древесины лиственницы описывается следующим уравнением [5]:
п п А
=Е Уш =Е — • Св '[^изб " ~п2 )]> (1)
1=1 1=1 М"п
где - количество раствора, которое проникает через 1-ю клеточную стенку в единицу времени; п - количество клеточных стенок, расположенных в едини-
це площади доски в направлении, перпендикулярном потоку веществ; А1 - константа, зависящая от вида мембраны; - вязкость раствора после прохождения через мембрану; Св - доля свободной воды в разделяемом растворе у поверхности мембраны; щ, п2 - соответственно, осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны и пермеата; Дризб. -перепад давлений на сторонах мембраны.
Из уравнения следует, что для приостановки вывода водного раствора экстрактивных веществ из древесины лиственницы необходимо добиться, чтобы Дризб ^ 0. Для этого достаточно снизить температуру до уровня температуры, при которой предполагается эксплуатировать изделие [1].
Интенсивное выравнивание влажности по сечению доски наблюдается в первые 72 ч после сушки (кривая 3, рис. 4). Такой эффект объясняется действием осмотических явлений, вызванных наличием перме-ата на поверхности доски. Пермеат - это высококонцентрированный слой экстрактивных веществ. Для снижения концентрации экстрактивных веществ необходимо значительное количество влаги. Эта влага «вытягивается» из древесины центральной зоны доски.
Удаление связанной влаги как при сушке, так и в период интенсивного выравнивания влажности наблюдается укрупнение релаксаторов за счёт уменьшения толщины водяной плёнки. Укрупнение релаксаторов значительно снижает их подвижность.
Поэтому интенсивность усыхания древесины в этот период резко снижается, но всё же продолжается.
Следовательно, время релаксации внутренних напряжений увеличивается до 30-35 суток за счёт сбалансированного положения релаксаторов, т. е. образования различного вида коробления и их фиксация в высушиваемой доске.
Следует обратить внимание на то, что 30-35 суток -это тот минимальный срок выдержки высушенных лиственничных пиломатериалов, который позволяет говорить об определённой готовности досок к дальнейшей переработки. В подтверждение указанного положения следует обратить внимание на кривую 1 на рис. 4, где показано распределение влажности в лиственничной доске после 90 суток выдержки. Из графика видно, что перепад влажности составляет (3-4) %, что соответствует только 3-й категории качества [6].
Одним из мероприятий, повышающих категорию качества сушки - это раскрой пиломатериалов после сушки на черновые заготовки, которые выдерживаются 30-35 суток. Данная технологическая операция позволит повысить интенсивность выравнивания влаги по сечению заготовки, и как следствие ускорит процесс релаксации внутренних напряжений в виде трещин и покоробленности.
Эффект релаксации внутренних напряжений хорошо прослеживается на примере «закрытия» трещины в доске, которая сформировалась в начальный период сушки (рис. 5).
Интенсивность изменения влагосодержания в лиственничных пиломатериалах в период сушки
Wн (К - К) (К - Wк) Кн Кк (К - Кк) (К - К)
38 9,29 28,71 0,16 48 10,63 37,37 0,20
38,5 10,53 27,97 0,15 26 8,4 17,6 0,10
63 14,19 48,81 0,26 30 7,17 22,83 0,12
70 13,6 56,4 0,30 31 6,69 24,31 0,13
53,6 11,9 41,7 0,23 50,4 8,77 41,63 0,23
Примечание. 1) сечение высушиваемых пиломатериалов 25x100 мм; 2) время сушки составило 185 ч; 3) средняя влажность в конце сушки составило Кк = 10,12 %.
30
3 25 | 20
£
I # 10
I
3 5 7 9
Номер »лементл по толщине доски
Рис. 4. Распределение влажности в лиственничных пиломатериалах:
1 - после выдержки 2160 ч при = 25 °С; 2 - после камерной сушки (время выдержки 0 ч);
3 - после камерной сушки (время выдержки 72 ч); 4 - после камерной сушки (время выдержки 496 ч) [1]
Рис. 5. Глубина распространения микротрещины и поперечное коробление лиственничной доски при сушке в свободном состоянии
Трещина, глубиной 10 мм и шириной 2,5 мм и длиной более 1 м сформировалась в первые 20-25 часов сушки. Коробление началось проявляться через 100-120 часов после начала сушки. Завершилось формирование покоробленности доски через 30-35 суток после завершения процесса сушки. После этого доска может быть использована на производство клеёного изделия.
ВЫВОДЫ
1. Стабилизация формы и размеров лиственничных пиломатериалов имеет реологическую природу.
2. В процессе сушки формируется толщина водяной плёнки, которая является ключевым фактором при определении подвижности релаксаторов.
3. Интенсивность удаления влаги при сушке лиственничных пиломатериалов характеризуется повышенной степенью варьирования, что предопределяет наличие большого разброса влажности по сечению доски.
4. Одним из основных мероприятий по релаксации внутренних напряжений в лиственничных пиломатериалах является временной фактор.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Зарипов Ш. Г. Совершенствование технологии сушки лиственничных пиломатериалов : дис. ... д-ра техн. наук (05.21.05 - древесиноведение, технология и оборудование деревообработки). Архангельск, 2016. 243 с.
2. Зарипов Ш. Г. Физико-механические основы разрушения древесины лиственницы в процессе конвективной сушки. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. 110 с.
3. Интенсификация процесса водной экстракции ара-биногалактана из древесины лиственницы / С. А. Кузнецова [и др.] // Химия растительного сырья. 2005. № 1. С. 53-58.
4. Кнорре Д. Г., Крылова Л. Ф., Музыкантов В. С. Физическая химия : учебник для биол. факультетов
ун-тов и педагогич. вузов. 2-е изд., испр. и доп. М. : Высш. шк., 1990. 416 с.
5. Кочаров Р. Г. Основы технологического расчёта мембранных аппаратов для разделения жидких смесей // Тр. МХТИ им. Д. И. Менделеева. 1982. Вып. 122. С. 39-51.
6. Руководящие материалы по технологии камерной сушки древесины / под ред. Е. С. Богданова / ЦНИИМОД. Архангельск, 1985. 152 с.
7. Тугов И. И., Кострыкина Г. И. Химия и физика полимеров : учеб. пособие для вузов. М. : Химия, 1989. 432 с.
8. Чудинов Б. С. Вода в древесине. Новосибирск : Наука, 1984. 267 с.
9. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакция) : пер. с англ. / под ред. А. А. Лео-новича. М. : Лесн. пром-сть, 1988. 512 с.
REFERENCES
1. Zaripov Sh. G. Sovershenstvovaniye tekhnologii sushki listvennichnykh pilomaterialov : dis. ... d-ra tekhn. nauk (05.21.05 - drevesinovedeniye, tekhnologiya i obo-rudovaniye derevoobrabotki). Arkhangelsk, 2016, 243 s.
2. Zaripov Sh. G. Fiziko-mekhanicheskiye osnovy razrusheniya drevesiny listvennitsy v protsesse konvek-tivnoy sushki. Novosibirsk : Izd-vo SO RAN, 2009, 110 s.
3. Intensifikatsiya protsessa vodnoy ekstraktsii arabi-nogalaktana iz drevesiny listvennitsy / S. A. Kuznet-sova [i dr.] // Khimiya rastitel'nogo syr'ya. 2005, № 1, S. 53-58.
4. Knorre D. G., Krylova L. F., Muzykantov V. S. Fizicheskaya khimiya : uchebnik dlya biol. fakul'tetov un-tov i pedagogich. vuzov. 2-e izd., ispr. i dop. Moscow, Vyssh. shk., 1990, 416 s.
5. Kocharov R. G. Osnovy tekhnologicheskogo ras^ta membrannykh apparatov dlya razdeleniya zhid-kikh smesey // Tr. MKhTI im. D. I. Mendeleyeva. 1982, Vyp. 122, S. 39-51.
6. Rukovodyashchiye materialy po tekhnologii ka-mernoy sushki drevesiny / pod red. E. S. Bogdanova / TSNIIMOD. Arkhangelsk, 1985, 152 s.
7. Tugov I. I., Kostrykina G. I. Khimiya i fizika po-limerov : ucheb. posobiye dlya vuzov. Moscow, Khimiya, 1989, 432 s.
8. Chudinov B. S. Voda v drevesine. Novosibirsk, Nauka, 1984, 267 s.
9. Fengel D., Vegener G. Drevesina (khimiya, ul'trastruktura, reaktsiya) : per. s angl. / pod red. A. A. Leo-novicha. Moscow, Lesn. prom-st', 1988, 512 s.
© Зарипов Ш. Г., Корниенко В. А., 2018
Поступила в редакцию 21.06.2018 Принята к печати 31.08.2018
