CC BY
5
УДК 674.812:539.37
ВЛИЯНИЕ АЦЕТИЛИРОВАНИЯ НА РЕЛАКСАЦИЮ ДЕФОРМАЦИЙ В ПРЕССОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЕ
А.М.ХАНОВ, Ю.Д.ХРАМЦОВ», А.В.ЧЕКМЕНЕВ*
Пермский государственный технический университет, Пермь, Россия *Институт технической химии УрО РАН, Пермь, Россия
АННОТАЦИЯ. В работе приведены результаты сравнительного исследования релаксации деформаций в прессованной ацетилированной и натуральной древесине березы. Сделан вывод, что введение объемных эфирных группировок увеличивает внутреннее трение в древесине и частично снижает упругие напряжения.
Деформативное поведение древесины, как сложного многоуровневого композиционного материала [1], представляет значительный интерес как с практической, так и с теоретической точек зрения. Известно, что химическое модифицирование древесины путем ацетилирования повышает ее формостабильность при изменении температурно-влажностных условий [2].
Совмещение процесса ацетилирования древесины с ее термомеханическим уплотнением также позволяет получить материал, более устойчивый к распрессовке [3]. Для выявления механизма воздействия ацетилирования на релаксацию в прессованной древесине было проведено сравнительное исследование распрессовки ацетилированных и неацетилированных образцов древесины методом разделения деформаций.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы древесины березы плотностью 560±10 кг/см2 в сухом состоянии и шириной годовых колец 2,3±0,2 мм прессовали в радиальном направлении до определенной степени деформации. Перед прессованием образцы насыщали водой или смесью уксусного ангидрида с муравьиной кислотой в объемном соотношении 3:1 [3]. Температура плит пресса - 180°С, скорость деформирования - ] мм/мин. Образцы охлаждали в зажатом состоянии до 80°С, затем 24 часа выдерживали в нормальных условиях (20°С, влажность воздуха 60±3%). После
ВЛИЯНИЕ АЦЕТИЛИРОВАНИЯ НА РЕЛАКСАЦИЮ ДЕФОРМАЦИЙ В ПРЕССОВАННОЙ
ДРЕВЕСИНЕ
этого, ДЛЯ релаксации внутренних напряжений, образцы выдерживали два часа в кипящей воде. Высоту образцов замеряли в исходном состоянии в нормальных условиях и после кипячения, причем, для исключения влияния набухания, образцы перед замером сушили в вакууме - 1 Па при температуре 60°С в течение 4 час. Деформацию прессования определяли по расстоянию между плитами пресса перед разг рузкой (Ьпр) по формуле
Е1|р= (Ь0 • И „Р)/Ь0
где Ь0 - исходная высота сухого образца. Релаксацию образца при выдержке в нормальных условиях принимали за сумму упругой и упругозапаздывающей деформации:
£у+уз— (Ьн.у- ЬПр)/Ь()
где Ьн.у. - высота образца после выдержки. Термовлагозадержапную (е™) и необратимую (ен) деформации определяли по формулам:
&ГВЗ = (Ьк - Ьн у)/^,
е„ = (Ьо - Ь^/Ь«
где Ьк - высота образца после кипячения.
Результаты эксперимента, средние по пяти образцам для каждого опыта, представлены в таблице и на рисунке. Индексом А в таблице обозначены образцы, насыщенные ацетилирующим раствором, индексом В - насыщенные водой. Для удобства сравнения различные виды деформаций представлены в относительных величинах, показывающих, какую долю данный вид деформации составляет от деформации прессования:
£ у+уз = £у+уз/£пр; £ ТВЗ= £твз/£пр» £ Н — £|/£пр
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В [4] было показано, что при прессовании березы до степени сжатия 0,4 изменение объема древесины происходит за счет деформации сосудов, остальные клетки деформируются слабо, смещаясь друг относительно друга по срединным пластинкам. Клетки силового каркаса (поздней древесины и радиальных
А.М.ХАНОВ, Ю.Д.ХРАМЦОВ, А.В.ЧЕКМВНЕВ
Таблица.
№ £ПР ' с' ь у+уз Р' ° твз в',,
1А 0,15 0,31 ±0,05 0,61± 0,05 0,08 ± 0,02
1В 0,15 0,53± 0,04 0,47± 0,05 0
2А 0,26 0,30 ± 0,04 0,62± 0,05 0,08± 0,01
2В 9,25 0,48± 0,06 0,52± 0,06 0
ЗА 0.37 0,32 ± 0,04 0,61 ±0,05 0,07± 0,02
зв 0,40 0,48± 0,03 0,52+ 0,03 0
4А 0,45 0,19± 0,02 0,70± 0,02 ОД 1± 0,01
4В 0,45 0,46± 0,04 0,54± 0,04 0
5А 0,55 0,05± 0,01 0,74± 0,05 0,21± 0,04
5В 0,55 0,37± 0,06 0,61± 0,05 0,02± 0,01
6А 0,62 0,02± 0,01 0,40± 0,03 0,58 ±0,04
6В 0,60 0,28 ±0,03 0,55± 0,03 0,17± 0,02
7А 0,65 0,016± 0,004 0,09 ±0,01 0,89± 0,01
7В 0,65 0,06± 0,02 0,28 ± 0,03 0,66± 0,03
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0,6 07 С
Чу>
Рис. Изменение доли термовлагозадержанной деформации (1 и 2), суммы упругой и упругозапаздывающей деформации (3 и 4), и необратимой деформации (5 и 6) с увеличением деформации прессования, для ацетилированных (1, 4, 5) и неацетилированных (2, 3, 6) образцов березы.
ВЛИЯНИЕ АЦЕТИЛ И РОВ АН ИЯ ИА РЕЛАКСАЦИЮ ДЕФОРМАЦИЙ В ПРЕССОВАННОЙ
ДРЕВЕСИНЕ
лучей) практически не деформируются, а сами радиальные лучи и слои плотных клеток на границе годовых колец изгибаются, компенсируя уменьшение объема. В диапазоне деформаций 0,4-0,55 изгиб элементов силового каркаса усиливается, клетки сосудов разрушаются, становится заметной деформация клеток ранней древесины. Увеличение деформации более 0.55 приводит к потере устойчивости силового каркаса древесины. Прочные клетки элементов силового каркаса хаотично вдавливаются в массу обычных клеток, усиливая их деформацию и разрушение более слабых элементов структуры. Развитие этого процесса до степени деформации 0,7 приводит к потере связности древесины и раздавливанию образца.
Учитывая вышеизложенное, ход кривых на рисунке можно интерпретировать следующим образом: на участке с £пр=0,15-0,4. релаксация деформаций идет за счет энергии деформации силового каркаса, которому противодействуют силы сдвига клеток по межклеточным пластинкам, состоящим, в основном, из лигнина. Чем выше силы внутреннего трения, тем меньше будет доля упругих деформаций и выше - термовлагозадержанных. Введение объемных эфирных группировок снижает долю упругих деформаций для ацетилированной древесины по сравнению с неацетилированной (кривые 4 и 3) и увеличивает долю термовлагозадержанных (кривые 1 и 2). Интересно, что ацетилированная древесина на этом этапе, в отличие от неацетилированной, в кипящей воде ре-лаксирует не полностью (кривые 5 и 6). Наличие необратимых деформаций указывает на то, что ацетильные группы препятствуют полному возврату упруго деформированных элементов клеточной структуры, переводя часть упругой деформации в необратимую.
На стадии с епр=0,4-0,55 к деформации изгиба силового каркаса и межклеточным сдвигам добавляется деформация клеточных оболочек - т.е. упругий изгиб сеток целлюлозных филаментов в высоковязкой среде лигнина и других инкрустирующих веществ. Поскольку релаксация внутриклеточных деформаций еще больше обусловлена внутренним трением, то доля упругих деформаций здесь снижается, а термовлагозадержанных - возрастает, причем больше там, где выше внутреннее трение, т.е. у ацетилированной древесины.
Стадия с епр>0,55 характеризуется потерей устойчивости клеточного каркаса и частичным разрушением клеток. Это означает, что упругие деформации клеточных оболочек и силового каркаса релаксируют еще на стадии прессования, резко снижается доля упругих деформаций и также резко возрастает доля
ТГИМИЧРГКДЯ ГЪИЧИКД И МРГЧППКППИЯ Тпм 1 N<>1
А.М.ХАНОВ. Ю.Д.ХРАМЦОВ, А.В.ЧЕКМЕНЕВ
необратимых. Однако и на этой стадии эффект затруднения межмолекулярных смещений ацетильными группами сказывается.
ВЫВОДЫ
Увеличение формостабильности прессованной ацетилированной древесины по сравнению с неацетилированной обусловлено увеличением внутреннего фения за счет введения объемных эфирных групп, а также со снижением уровня упругих деформаций из-за частичного блокирования ацетильными группами упругих элементов структуры в деформированном состоянии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перелыгин Л.М.. Уголев Б.Н. Древесиноведение. М.: Лесная промышленность, 1971. 281с.
2. Швальбе К.П. Модификация древесины способом ацетилирования. Сб. Пластификация и модификация древесины. Рига. Зинатие. 1970. С. 145-146.
3. Храмцов Ю.Д., Андреев П.Е., Ханов A.M., Патент RH №2098268 CI от 10.11.95. Опубл. 10.12.97. Бюл. №34.
4. Храмцов Ю.Д. Исследование упругих и прочностных свойств ацетилированной древесины при термоуплотнении. Канд. дисс. Пермь. 1997.
Summary. The results of research of strain relaxation in pressed acetylated and natural birch wood are represented. It is determined that the ester groups increase internal friction in wood and partially reduce elastic stresses.
