Влияние термической обработки наплотность и разбухание древесины букалесного (Fagus sylvaticaL. ) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Выводы

1. Предложена технология производства нового конструкционного материала - композиционной фанеры с внутренним слоем на основе отходов деревообработки, отличающаяся поточностью, простотой и доступностью применяемого оборудования.

2. Разработан технологический процесс производства композиционной фанеры с привязкой к участку клеильно-обрезного цеха ОАО «Фанплит», отличающийся поточностью, простотой и доступностью применяемого оборудования.

3. На основе анализа априорных данных установлено, что при производстве композиционной фанеры снижается расход дорогого лущеного шпона, эффективно утилизируются отходы деревообработки, рационально используются древесные ресурсы,

что способствует уменьшению производственных затрат и снижению себестоимости выпускаемой продукции.

4. Организация производства композиционной фанеры позволяет расширить ассортимент выпускаемых клееных материалов с выпуском конкурентоспособной продукции для строительства, авто-, вагоно- и контейнеростроения, мебельной промышленности и других сфер применения.

Библиографический список

1. Угрюмов, С.А. Комплексное исследование свойств композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, А.С. Свешников // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2010. - № 6. - С. 163-165.

2. Угрюмов С.А. Разработка технологической последовательности производства композиционной фанеры / С.А. Угрюмов, Е.А. Боровков, А.С. Щербаков // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2007. - № 6. - С. 120-123.

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ПЛОТНОСТЬ И РАЗБУХАНИЕ дрЕВЕСИНЫ Бука ЛЕСНОГО (FAGUS SYLVATICA L.)

И. ШУХАНЬОВА, асп. каф. древесиноведения Зволенского Технического университета, Словакия, ГА. ГОРБАЧЕВА, доц. каф. древесиноведения МГУЛ, канд. техн. наук

ivica.suchanova@gmail.com; gorbacheva@mgul.ac.ru

При эксплуатации изделий и конструкций из древесины в переменных температурновлажностных условиях одной из возникающих трудностей является разбухание древесины. Разбухание заключается в увеличении линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной воды при выдерживании древесины во влажном воздухе или в воде. Снизить величину разбухания и улучшить формостабильность изделий из древесины можно путем ее модифицирования. Поскольку в странах Европейского Союза в 2004 г. были введены ограничения на использование химических реагентов при модифицировании древесины, одним из наиболее приемлемых способов направленного изменения свойств древесины является ее термомодификация. Известно, что при воздействии повышенных температур происходит изменение химического состава древесины, что приводит к потере массы, отражается на плотности древесины и величине ее разбу-

хания. Древесина бука лесного (Fagus sylvatica

L.), широко распространенного в Словакии, применяется во многих отраслях деревообрабатывающей промышленности.

Материал и методика экспериментов

Для проведения экспериментов было изготовлено 340 образцов размерами 30^30x10 мм (последний размер вдоль волокон) из древесины бука лесного (Fagus sylvatica L.), из центральной части Словакии. Все образцы были выпилены из досок радиальной распиловки. Чтобы повысить точность измерений, размеры поперечного сечения образцов были увеличены по сравнению с действующими стандартами Словакии (CSN 49 0104) и России (ГОСТ 16483.35-80 и 16483.36-80).

Все образцы были разделены на 10 групп. Образцы из 1 группы (контрольные) не подвергались термической обработке, остальные были термически модифицированы

154

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица

Влияние термической модификации на плотность и разбухание древесины бука

Температура, °C Продолжительность обработки, ч Статистические показатели Плотность в абсолютно сухом состоянии р0 , г/см3 Ир % а, % г7 а(, % aV %

контрольные образцы - X 0,710 0,59 3,15 6,68 0,11

±5 0,02 0,13 0,46 0,40 0,01

vr%l 2,31 22,47 14,68 6,03 6,78

160 2 X 0,683 0,47 2,95 6,09 0,10

±5 0,04 0,20 0,45 0,50 0,01

v[%] 5,81 41,65 15,21 8,23 9,27

4 X 0,692 0,48 3,23 6,29 0,11

±5 0,04 0,12 0,48 0,43 0,01

v[%l 5,60 25,01 14,75 6,87 8,08

6 X 0,689 0,55 3,39 6,22 0,11

±5 0,04 0,25 0,40 0,42 0,01

v[%l 5,28 44,82 11,64 6,69 6,74

180 2 X 0,667 0,46 2,81 5,21 0,09

±5 0,04 0,26 0,43 0,44 0,01

v[%] 5,45 57,88 15,33 8,41 9,56

4 X 0,664 0,41 2,81 5,06 0,09

±5 0,03 0,18 0,46 0,33 0,01

v[%l 4,46 44,53 16,49 6,45 7,73

6 X 0,676 0,36 2,65 4,70 0,08

±5 0,03 0,24 0,45 0,39 0,01

v[%l 4,92 65,21 16,89 8,23 8,95

200 2 X 0,669 0,30 2,66 5,17 0,09

±5 0,04 0,20 0,54 0,33 0,01

v[%l 5,66 64,34 20,21 6,35 8,44

4 X 0,667 0,23 2,47 4,67 0,08

±5 0,03 0,20 0,43 0,42 0,01

v[%l 5,16 88,18 17,30 8,91 10,09

6 X 0,661 0,22 1,99 3,92 0,06

±5 0,04 0,17 0,38 0,56 0,01

v[%l 6,38 74,36 19,18 14,26 13,30

-А-

Рис. 1. Влияние температуры и продолжительности термообработки на разбухание древесины

l 2 ч l 4 ч l 6 ч r 2 ч r 4 ч r 6 ч t 2 ч t 4 ч t 6 ч контр l контр r контр t

бука

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

155

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

-♦— контр. t 160 t 2 ч -А— 200 t 6 ч -к— контр. r -Ж— 160 r 2 ч -•— 200 t 6 ч н— контр. l — 160 l 2 ч ----200 l 6 ч

Рис. 2. Зависимость разбухания в тангенциальном, радиальном и продольном направлениях от влажности для необработанных и термически модифицированных образцов древесины бука

■ бук 2 ч

■ бук 4 ч

■ бук 6 ч

■ груша 2 ч груша 4 ч груша 6 ч

■ контр бук

■ контр груша

■ контр ель

■ ель 2 ч ель 4 ч

■ ель 8 ч ель 24 ч

Рис. 3. Влияние термообработки на коэффициент анизотропии разбухания древесины бука, груши и ели

670 645 656 654 627 628 640 637 639 629

Плотность абсолютно сухой древесины, кг/м3

Рис. 4. Зависимости разбухания в различных структурных направлениях от плотности абсолютно сухой древесины для контрольных и термически обработанных образцов древесины бука

■ 1

■ г

■ t

при трех температурных уровнях (160, 180 и 200°С) и разной продолжительности обработки (2, 4 и 6 часов).

Экспериментальные исследования проводились на кафедре древесиноведения Зволенского Технического университета

(Словакия). Образцы были высушены до абсолютно сухого состояния при температуре 103±2°С, затем в соответствии с режимом термически обработаны в воздушной среде.

Согласно принятой в Зволенском Техническом университете методике для опреде-

156

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ления плотности и разбухания образцы были помещены в климатическую камеру со следующими параметрами: температура 20°С, относительная влажность воздуха 85 %. Для более точного установления зависимости разбухания от влажности были уменьшены интервалы времени, через которые образцы извлекались из климатической камеры и определялись их масса и размеры. В первый день было проведено 10 измерений (через 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 6; 8; 10; 12 ч), во второй день - каждые 4 часа, третий день - каждые 6 часов, с четвертого по пятнадцатый дни - каждые 12 часов. Величина разбухания для каждого образца при увлажнении до равновесной влажности определялась в трех направлениях по формуле [3]

ai = ((aiw - аго) / аго) Х 100 (1)

где i - направление измерения t, r, l;

a.w - размер (объем) образца при влажности W в момент измерения, мм; а.0 - размер образца (объем) в абсолютносухом состоянии, мм.

Принимая линейную зависимость между разбуханием и изменением содержания связанной воды [2], коэффициент разбухания (%/% влажности) вычисляли по формуле K = a. / W . (2)

Результаты и их обсуждение

Результаты определения плотности в абсолютно сухом состоянии и разбухания (в тангенциальном, радиальном и продольном направлениях и объемное) контрольных необработанных и термически модифицированных образцов представлены в таблице, где указаны средние значения, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации.

На рис. 1 представлены графики зависимости разбухания в трех структурных направлениях от температуры термомодификации для необработанных и обработанных образцов при разной продолжительности обработки.

Как следует из графиков, наибольшее влияние термической обработки на величину разбухания наблюдается в тангенциальном направлении. В диапазоне изменения температуры от 160 до 180 °С величина разбухания уменьшается сильнее, чем в диапазоне от 180 до 200 °С. Продолжительность обработки

оказывает большее влияние на величину разбухания при увеличении температуры от 180 до 200 °С.

На рис. 2 показаны зависимости разбухания в различных структурных направлениях от влажности для образцов, обработанных при двух режимах термообработки (наиболее мягкий - 160 °С, 2 ч. и наиболее жесткий - 200 °С, 6 ч.), а также необработанных образцов.

Величины разбухания и равновесной влажности уменьшаются с повышением температуры и продолжительности термообработки. Коэффициент разбухания, представляющий собой величину разбухания при изменении влажности на 1 ‘, во всем диапазоне изменения влажности примерно одинаков.

Коэффициент анизотропии разбухания в плоскости поперек волокон K опре-

деляется из следующего соотношения K = K t / K , (3)

где Kat - коэффициент разбухания в тангенциальном направлении;

Kar - коэффициент разбухания в радиальном направлении.

Как следует из графиков на рис. 1, у термомодифицированной древесины с увеличением температуры и продолжительности обработки этот показатель анизотропии уменьшается. Следовательно, уменьшается величина структурного коробления, т.е. повышается формостабильность.

Одной из причин анизотропии разбухания в плоскости поперек волокон является содержание и размеры сердцевинных лучей [2]. Известно, что с повышением их содержания радиальное разбухание уменьшается, поскольку сердцевинные лучи сдерживают разбухание в радиальном направлении. На рис. 3 представлены графики зависимости коэффициента анизотропии разбухания в плоскости поперек волокон K от температуры для разных режимов термообработки для древесины бука. Кроме того, на рис. 3 показаны значения коэффициентов анизотропии, полученные по данным P. Bekhta, P. Niemz [4] для древесины ели (Picea abies (L.) Karst) и G. Gunduz, D. Aydemir, G. Karakas [5] для древесины груши (Pyrus elaeagnifolia Pall.).

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

157

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Древесина бука имеет многочисленные однорядные и двух- многорядные (до 28 клеток в ширину) сердцевинные лучи, от низких (1-8 клеток) до очень высоких (100-200 и более клеток) [1], общее число которых составляет до 21, 2 % [8]. Для древесины бука характерна высокая степень анизотропии, коэффициент анизотропии для экспериментальных образцов составил 2,12, а по данным A. Pozgaj и др. [6] - 2,56. После термического модифицирования наблюдается уменьшение степени анизотропии, значения коэффициента анизотропии снизились до 2,07 - 1,81. Древесина груши содержит также многочисленные сердцевинные лучи, 16-26 % [8], однако, это однорядные или двух- трехрядные лучи, высота которых составляет от 3 до 30 клеток, поэтому термообработка оказывает меньшее влияние на величину коэффициента анизотропии, величина которого снизилась на 8 %. Для древесины ели, содержащей небольшое количество однорядных лучей (до 5,5 %), не наблюдается влияния термообработки на степень анизотропии разбухания. Таким образом, термообработка в большей мере способствует снижению степени анизотропии разбухания для пород, у которых многочисленные сердцевинные лучи имеют большую ширину и высоту.

Известно, что между плотностью древесины и величиной ее разбухания существуют тесные корреляционные связи [2]. На рис. 4 показаны зависимости разбухания в различных структурных направлениях от плотности абсолютно сухой древесины для контрольных и термически обработанных образцов древесины бука. Несмотря на общее снижение плотности, четкой зависимости плотности от температуры обработки не выявлено.

В результате термической обработки величина разбухания и плотности снизились. При термической модификации происходит уменьшение плотности древесины, связанное с изменением ее химического состава. По данным O. Skyba, P. Niemz, F. W. M. R. Schwarze [7] при термообработке древесины бука при температурах 160 и 180 °С происходит увеличение содержания глюкозы (с 67 до 77 %), уменьшение содержания ксилозы на 17 % и маннозы на 0,5 %.

Заключение

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что при термической модификации древесины бука лесного (Fagus sylvatica L.) существенно меняются плотность и разбухание. Плотность древесины в абсолютно сухом состоянии уменьшается на 2 - 6,45 %, величина разбухания в тангенциальном направлении снижается на 5,9 - 41,6 %, а в радиальном - на 6,5 - 32,3 % . Кроме того, при термообработке уменьшается степень анизотропии разбухания в плоскости поперек волокон, коэффициент анизотропии разбухания уменьшается с 2,12 до 2,07-1,81. Таким образом, термическое модифицирование способствует увеличению формостабильности древесины. Данные изменения свойств древесины обусловлены изменениями химического состава древесины, и, в частности, разложением части гемицеллюлоз. Полученные результаты следует учитывать при эксплуатации изделий из термомодифицированной древесины бука в условиях переменной влажности.

Библиографический список

1. Атлас древесины и волокон для бумаги / Е.С. Чав-чавадзе, З.Е. Брянцева, Е.В. Гончарова и др. - М.: Ключ, 1992. - 336 с.

2. Уголев, Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение: учебник, 5-е издание переизд. и дополн / Б.Н. Уголев. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - 352 с.

3. Babiak, M. Problemy z mechanickych vlastnosti dreva: prirucka / Babiak, M., Dubovsky, J. - Zvolen: Technicka univerzita vo Zvolene, 2001.- 71 p.

4. Bekhta, P., Niemz, P. Effect of High Temperature on the Change in Color, Dimensional Stability and Mechanical Properties of Spruce Wood// Holzforschung. - 2003. - Vol. 57, N 5. - P. 539-546.

5. Gunduz, G., Aydemir, D., Karakas, G. The effects of thermal treatment on the mechanical properties of wild Pear (Pyrus elaeagnifolia Pall.) wood and changes in physical properties// Materials and Design. - 2009. - Vol. 30. - P. 4391-4395.

6. Pozgaj, A. Atruktbra a vlastnosti dreva/ Pozgaj, A. et al. - Bratislava: PRGRODA, 1997. - 485 p.

7. Skyba, O., Niemz, P., Schwarze, F. W. M. R. Resistance of thermo - hygro - mechanically (THM) densified wood to degradation by white rot fungy// Holzforschung. - 2009. - Vol. 63.- P. 639-646.

8. Wagenfuhr, R. Holzatlas: 3. Aufl./Wagenfuhr, R., Scheiber, Chr. - Leipzig: Fachbuchverl, 1989. -720 p.

158

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012