CC BY
3Международный научный журнал «ВЕСТНИК НА УКИ» № 5 (74) Том 2. МАЙ 2024 г. УДК 62
Соколов И.В.
аспирант
Уральский государственный лесотехнический университет (г. Екатеринбург, Россия)
СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ КАК МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРГАЕМОГО СУШКЕ И ТЕРМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ
Аннотация: в статье дан обзор свойств древесины как материала, подвергаемого сушке и последующему термомодифицированию, дана оценка степени разработанности данного вопроса при температурах нагрева до 100-120 °С (стадия сушки) и при более высоких температурах, дан обзор исследований свойств термомодифицированной древесины.
Ключевые слова: сушка, термомодифцирование древесины, гигроскопичность, тепловые свойства, теплофизические свойства, теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность, влагопроводность древесины, тепломассообмен, физико-механические свойства термодревесины.
Термомодифицирование древесины - это инновационное направление в развитии деревообработки, позволяющее из обычной древесины создать уникальный 100% экологичный материал, не только сохраняющий все преимущества натуральной древесины, но и значительно превосходящий её - и по декоративным, и по многим физико-механическим свойствам. Термодревесина не гниёт (даже в воде), не поражается насекомыми, геометрически стабильна, не разбухает и не коробится, не боится резких перепадов температуры и влажности, а срок её службы - в десятки раз больше, чем у обычной древесины.
Термомодифицирование древесины проводится при высоких температурах (от 160 до 260 °С) по специальной технологии в бескислородной среде, без применения каких-либо химических средств.
Первым и одним из самых ответственных этапов процесса термомодифицирования древесины является сушка древесины, от качества которой во многом зависит конечное качество термодревесины.
Затем идут стадии:
- прогрева и досушки, на которой температура постепенно повышается до 130 °С, и материал досушивается до абсолютно сухого состояния,
- собственно термомодифицирования - нагрев и выдержка материала при заданной температуре,
- охлаждения, на которой, с целью предотвращения воспламенения древесины, температура понижается до 120-130°С.
В процессе термомодифицирования древесного материала наблюдается сложный процесс, который протекает внутри тела. При этом изменяются: цвет, клеточное строение, плотность, масса, физико-механические свойства древесины.
Необходимость знания свойств подвергаемой сушке и последующему термомодифицированию древесины объясняется тем, что происходящую в процессе термообработки древесины совокупность физических явлений необходимо рассматривать, решая одновременно как внешнюю задачу -теплоперенос в среде обработки и её теплообмен с материалом, так и внутреннюю - теплоперенос внутри материала.
А так как древесина является коллоидным капиллярно-пористым телом, аналитический расчет процессов её нагревания основывается на решении дифференциальных уравнений тепломассопереноса, описывающих изменения во времени показателей температуры и влажности по толщине материала.
Однако, решение этих дифференциальных уравнений и построения математической модели процесса сушки и последующего
термомодифицирования древесины, невозможно без знаний теплопроводных характеристик обрабатываемого материала.
При анализе процессов тепловой сушки [24, 12, 36, 41 и др.] обычно выделяют следующие группы свойств древесины:
• гигроскопичность древесины,
• тепловые свойства,
• свойства, определяющие влагопроводность древесины
и еётепломассообмен с агентом сушки,
• прочностные и реологические свойства.
Гигроскопичность древесины.
Исследованиями проблем, связанных с гигроскопичностью древесины занимались многие авторы [15, 16, 28, 31, 32, 36, 37, 41 и др.].
Основными свойствами, характеризующими гигроскопичность древесины, являются:
• предел гигроскопичности Wnx., %,
• равновесная влажность Wp., %.
Тепловые свойства древесины.
Исследованиями тепловых свойств древесины в различные годы занимались К.Р. Кантер [8, 9], А.П. Комиссаров [11], Г.С. Шубин и
Э.Б. Щедрина [35, 36, 40, 42], Б.С. Чудинов [29, 30], Н.М. Кириллов [10], а среди зарубежных ученых - F. Kollmann, A. J. Stamm и многие другие.
Теплофизические свойства древесины характеризуются следующими параметрами:
• удельная теплоёмкость С, кДж/(кгград),
• коэффициент теплопроводности X, Вт/(м/град),
• коэффициент температуропроводности а, м2/с.
Свойства, определяющие влагопроводность древесины и ее тепломассообмен с агентом сушки.
Исследованием этих свойств древесины занималисьГ.С. Шубин [36, 38, 41], А.В. Лыков [13, 14], П.С. Серговский [24], А.К. Пухов [20, 21], В.В. Сергеев [22], Ф.М. Полонская [18, 19], А.Г. Гороховский [5], Е.Е. Шишкина [34] и другие ученые.
Можно выделить следующие свойства, определяющие внешний и внутренний влагоперенос в древесине:
• коэффициент влагопроводности а m, м2/с,
• термоградиентный коэффициент 5, град-1,
• коэффициент теплообмена а, Вт/(м2град),
• коэффициент влагообмена (влагоотдачи) am, м2/с,
• критерий фазового превращения s.
Прочностные и реологические свойства древесины.
Прочностные свойства различных пород древесины, а также влияние на них температуры и влажности были весьма обстоятельно исследованы еще в 30-е - 50-е годы прошлого века [3, 6, 33 и др.].
Исследованием реологических характеристик древесины, необходимых для создания методов аналитического определения внутренних напряжений, занимались П.С. Серговский [23], Б.Н. Уголев [26, 27], Ю.М. Иванов [6], А.М. Боровиков [2], М.В. Николайчук [17], Г.С. Шубин [39], Н.В. Скуратов [25].
Основными параметрами, характеризующими прочностные и реологические свойства древесины, являются:
• пределы прочности аПр, Мпа,
• модули упругости Е, Мпа.
Проанализировав имеющиеся в литературе данные по свойствам древесины, можно сделать вывод, что все они относятся к обычной нетермомодифицированной древесине и ограничиваются температурами нагрева 100-120°С.
Относительно этого диапазона температур (то есть, для стадии сушки), свойства древесины изучены достаточно хорошо, и для решения задач методами математического моделирования в литературе имеются необходимые данные.
К сожалению, этого нельзя сказать про исследование свойств древесины при более высоких температурах, теплофизические свойства термодревесины на сегодняшний день остаются практически неизученными. В литературе по этому вопросу данных практически нет.
Исследование свойств термодревесины.
Обращают на себя внимание исследования Казанского национального исследовательского технологического университета [1, 30 и др.].
Там была разработана установка по исследованию теплофизических свойств термомодифицированной древесины, с помощью которой экспериментально определены теплофизические свойства, такие как теплоемкость С, теплопроводность X и температуропроводность а, древесины разных пород - сосны (условная плотность 400 кг/м3), березы (условная плотность 500 кг/м3) и дуба (условная плотность 600 кг/м3), термомодифицированной при разных температурах - 180, 200, 220 и 240 °С.
В работе П.А. Кайнова [30] представлены зависимости теплофизических свойств термодревесины (теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность) - от температуры обработки.
Даны также трехмерные модели зависимости коэффициентов тепло- и температуропроводности термодревесины разных пород - от температуры обработки и текущей температуры материала,
Определена зависимость плотности древесины от температуры термомодифицирования и впервые определены зависимости теплофизических свойств термодревесины - от её текущей плотности.
Для удобства составления и использования математической модели процесса термического модифицирования древесины, все полученные зависимости теплофизических свойств термодревесины с помощью табличного редактора Microsoft Excel путем аппроксимации полученных экспериментальных точек были представлены в виде уравнений.
Кроме того, в КНИТУ были проведены исследования физико-механических свойств термомодифицированной древесины, таких как:
- ударная твердость,
- предел прочности при сжатии вдоль волокон,
- предел прочности при статическом изгибе.
П.А. Кайнов в своей работе [30] приводит графики изменения этих показателей в зависимости от времени и температуры обработки, а также трехмерное представление этих показателей и математические выражения, характеризующее их изменения в зависимости от режимов термомодифицирования.
Также было проведено исследование термомодифицированной древесины на биостойкость. Полученные результаты представлены в виде диаграмм, из которых видно, что хотя механические характеристики термодревесины с увеличением температуры и продолжительности обработки несколько снижаются, при этом существенно возрастает биостойкость материала. И уже после годовой выдержки во влажном грунте механические характеристики термодревесины становятся выше, чем у аналогично выдержанной натуральной древесины, поскольку прочность натуральной древесины падает почти вдвое, а прочность термодревесины практически не изменяется.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Ахметова, Д. А. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины: дисс. канд. техн. наук: 05.21.05 / Ахметова Дина Анасовна. - Казань, 2009. - 150 с;
2. Боровиков, А. М. Упругость, вязкость и пластичность древесины / А. М. Боровиков // Деревообрабатывающая промышленность. - 1970. - № 9. - С. 9 -12;
3. Ванин, С. И. Таблицы физических и механических свойств древесины древесных пород СССР / С. И. Ванин, Л. А. Баженова, Н. Г. Прикот. - Л.: Гослестехиздат, 1934. - 256 с;
4. Влияние высокотемпературной сушки древесины сосны на ее физико-механические свойства / Н. Л. Леонтьев, Н. В. Кречетов, Б. С. Царев, Р. П. Болденков // Деревообрабатывающая промышленность. - 1957. - № 6;
5. Гороховский, А. Г. Технология сушки пиломатериалов на основе моделирования и оптимизации процессов тепломассопереноса в древесине: дисс. ... д-ра техн. наук: 05.21.05 / Гороховский Александр Григорьевич. -СПб.: СПбГЛТА им. С.М. Кирова, 2008. - 263 с;
6. Иванов, Ю. М. Реологические параметры древесины и фанеры в условиях влажных деформаций / Ю. М. Иванов, Л. О. Лепарский // Тр. юб. науч.- техн. конф. ЦНИИМОД. - Архангельск, 1968. - С. 72-84;
7. Кайнов, П. А. Энергосберегающая технология термического модифицирования пиломатериалов в среде топочных газов: дисс. канд. техн. наук: 05.21.05 / Кайнов Павел Александрович. - Казань, 2012. - 156 с;
8. Кантер, К. Р. Исследование тепловых свойств древесины: дисс. . канд. техн. наук / Кантер Константин Рейнольдович. - М.: МЛТИ, 1954;
9. Кантер, К. Р. О тепловых свойствах древесины / К. Р. Кантер // Деревообрабатывающая промышленность. - 1957. - № 7. - С. 17-18;
10. Кириллов, Н. М. Расчет процессов тепловой обработки древесины при интенсивном теплообмене / Н. М. Кириллов. - М.: Гослесбумиздат, 1959. - 87с;
11. Комиссаров, А. П. Тепловые коэффициенты древесины лиственницы / А. П. Комиссаров // Деревообрабатывающая промышленность. - 1969. - № 6. - С. 9-10;
12. Кречетов, И. В. Сушка древесины / И.В. Кречетов. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 432 с;
13. Лыков, А. В. О предельных переходах системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса / А. В. Лыков // Инженерно-физический журнал. - 1973. - № 1, Т. XXIV. - С. 152-155;
14. Лыков, А. В. О системах дифференциальных уравнений тепломассо-переноса в капиллярно-пористых телах / А. В. Лыков // Инженерно-физический журнал. - 1974. - № 1, Т. XXVI. - С. 18-25;
15. Любимов, Н. Я. Теория и практика сушки дерева / Н. Я. Любимов. - М.: Гослестехиздат, 1932. - 368 с;
16. Никитина, Л. М. Термодинамические параметры и коэффициенты массопереноса во влажных материалах / Л. М. Никитина. - М.: Энергия, 1968. -499 с;
17. Николайчук, М. В. Исследование реологических показателей и режимов сушки древесины при низких температурах: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / Николайчук Михаил Васильевич. - М.: МЛТИ, 1973. - 21 с;
18. Полонская, Ф. М. Исследование температурного поля влажных материалов в процессе сушки (период постоянной скорости) / Ф. М. Полонская // Журнал технической физики. - 1953. - № 5, Т. XXIII. - С. 796-801;
19. Полонская, Ф. М. Тепло- и массообмен в период постоянной скорости сушки / Ф. М. Полонская // Журнал технической физики. - 1953. - № 5, Т. XXIII. - С. 802-805;
20. Пухов, А. К. Экспериментальное определение коэффициентов влагоотдачи древесины при сушке / А. К. Пухов // Известия вузов: Лесной журнал. - 1963. - № 5. - С. 109-117;
21. Пухов, А. К. Влагообмен древесины со средой в процессе конвективной сушки / А. К. Пухов // Деревообрабатывающая промышленность. - 1964. - № 8. - С. 12-14;
22. Сергеев, В. В. Повышение эффективности сушки пиломатериалов в камерах малой мощности: дисс. . д-ра техн. наук / Сергеев Валерий Васильевич. - СПб.: СПбЛТА им. С.М. Кирова, 1999;
23. Серговский, П. С. Об упруго-пластических свойствах древесины в связи с напряжениями и деформациями при ее сушке / П. С. Серговский, В. Н. Быковский, В. О. Самуйлло // Деревообрабатывающая промышленность. -1961. - № 6. - С. 3-6;
24. Серговский, П. С. Гидротермическая обработка древесины / П. С. Серговский. - М.: Лесная промышленность, 1975;
25. Скуратов, Н. В. Разработка рациональных режимов сушки пиломатериалов в камерах периодического действия: дисс. ... канд. техн. наук / Скуратов Николай Владимирович. - М.: МЛТИ, 1983. - 257 с;
26. Уголев, Б. Н. Определение реологических показателей древесины / Б. Н. Уголев // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1963. - № 2. - С. 17- 19;
27. Уголев, Б. Н. Исследование влияния температуры и влажности на показатели реологических свойств древесины березы / Б. Н. Уголев, В. И. Пименова // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1963. - № 6. - С. 10- 12;
28. Уголев, Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения / Б. Н. Уголев. - М.: Лесн. пром-сть, 1975. - 384 с;
29. Чудинов, Б. С. Теоретические исследования теплофизических свойств и тепловой обработки древесины: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Чудинов Борис Степанович. - Л.: ЛТА им. С.М. Кирова, 1967. - 30 с;
30. Чудинов, Б. С. Теория тепловой обработки древесины / Б. С. Чуди-нов. -М.: Наука, 1968. - 255 с;
31. Чудинов, Б. С. Вода в древесине / Б. С. Чудинов. - Новосибирск: Наука, 1984. - 267 с;
32. Чулицкий, Н. Н. Исследование водопроводности и водопоглощаемости древесины различных пород / Н. Н. Чулицкий // Науч. тр. - М.: ЦАГИ, 1932. -122 с;
33. Чулицкий, Н. Н. Влияние влажности на свойства древесины / Н. Н. Чулицкий. - М.: Гослестехиздат, 1933. - 40 с;
34. Шишкина, Е. Е. Энергосберегающая технология конвективной сушки пиломатериалов на основе управляемого влагопереноса в древесине: дисс. . д-ра техн. наук: 05.21.05 / Шишкина Елена Евгеньевна. - Архангельск: САФУ им. М.В. Ломоносова, 2016. - 336 с;
35. Шубин, Г. С. Исследование влияния различных факторов на тепловые свойства древесины / Г. С. Шубин, Э. Б. Щедрина // Материалы IV Всесоюзного совещания по тепло- и массообмену. - Минск: ИТМО АН БССР, 1972. - С. 285-289;
36. Шубин, Г. С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 248 с;
37. Шубин, Г. С. О влиянии породы древесины на ее равновесную влажность / Г. С. Шубин, А. В. Чемоданов // Науч. тр. - М.: МЛТИ. 1981. - Вып. 117. - С. 61-66;
38. Шубин, Г. С. Проектирование установок для гидротермической обработки древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1983. - 272 с;
39. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины (вопросы теории, методы расчета и совершенствования технологии): дисс. . д-ра техн. наук / Шубин Григорий Соломонович. - М.: МЛТИ, 1985;
40. Шубин, Г. С. О коэффициентах переноса тепла и влаги в древесине / Г. С. Шубин // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1989. - № 8. - С. 10-13;
41. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 336 с;
42. Щедрина, Э. Б. Исследование тепловых и влажностных характеристик древесины в условиях повышенных и пониженных температур: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / Щедрина Эмма Борисовна. - М.: МЛТИ, 1976. - 22 с.
Sokolov I.V.
Ural State Forestry University (Ekaterinburg, Russia)
PROPERTIES OF WOOD AS MATERIAL SUBJECTED TO DRYING AND THERMAL MODIFICATION
Abstract: article provides an overview of the properties of wood as a material subjected to drying and subsequent thermomodification, an assessment of the degree of elaboration of this issue at heating temperatures up to 100-120 ° C (drying stage) and at higher temperatures, an overview of studies of the properties of thermomodified wood.
Keywords: drying, thermal modification of wood, hygroscopicity, thermal properties, thermophysical properties, heat capacity, thermal conductivity, thermal conductivity, moisture conductivity of wood, heat and mass transfer, physical mechanical properties.
