CC BY
13DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2019.01.026 УДК 674.046
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ БАРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОДРЕВЕСИНЫ
Ю.Г. Скурыдин, Е.М. Скурыдина, В.В. Коньшин, Юку Ногба Жан, О.С. Беушева,
А.Н. Афаньков, А.А. Беушев
Представлены данные о влиянии условий баротермической обработки древесины березы и ее последующего горячего прессования на отдельные физико-механические свойства получаемой термодревесной композиции. Установлено, что увеличение фактора жесткости гидролиза сопровождается возрастанием плотности получаемых образцов. Зависимость прочностных характеристик от жесткости условий баротермической обработки носит более сложный характер, определяющийся наличием точки максимума, после которой прочностные характеристики снижаются. Прослеживается линейная зависимость между плотностью материала и его водопоглощением. На основе полученных результатов определены оптимальные условия получения термодревесной композиции.
Ключевые слова: береза, водопоглощение, взрывной автогидролиз, древесина, композитный материал, термодревесная композиция.
ВВЕДЕНИЕ
В лесах сибирского региона сосредоточено большое количество деревьев лиственных пород, среди которых береза по распространенности занимает одно из лидирующих мест, занимая ареал до 40 млн. гектаров[1]. Несмотря на то, что древесина березы в настоящее время используется довольно широко - прежде всего в фанерном и целлюлозно-бумажном производстве, а также в производстве мебели - потенциал этого ресурса остается по-прежнему значительным. Одним из факторов, сдерживающих вовлечение древесины березы в коммерческий оборот в качестве конструкционного и отделочного материала, являются ее сравнительно невысокие физико-механические свойства и подверженность гниению при большом влагосодержа-нии. Большинство методов улучшения защищенности цельной древесины от проникновения влаги, предлагаемых сегодня, предусматривают нанесение защитных покрытий, препятствующих проникновению воды в межволоконное пространство - лакокрасочных, пленочных и комбинированных [2,3]. Использование подобных методов хоть в целом и приводит к получению требуемого результата, но сопряжено с большими трудозатратами, расходованием материальных ресурсов, и при этом не улучшает иных характеристик материала, например, не увеличивает его прочности.
Целью настоящей работы является изучение особенностей воздействия на цельную
древесину березы перегретого в процессе взрывного автогидролиза, и последующего горячего прессования предобработанной таким образом древесины в композитный материал. Предполагается, что получаемый композит (т.н. «термодревесина») должен обладать улучшенными физико-механическими характеристиками и повышенной влагостойкостью по сравнению с исходной древесиной. Кроме того, варьирование условиями баротермиче-ской обработки и горячего прессования позволят влиять на основные физико-механические характеристики материала, ипридавать ему заданные свойства в широком диапазоне.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использованы образцы цельной древесины березы пушистой (Ве^!а риЬезсепз), выдержанной после рубки в течение одного года в проветриваемом и неотапливаемом помещении. Береза данного вида является одной из основных пород, образующих древостой в лиственных и смешанных лесах Алтайского края. Отбор образцов выполнен из ядровой части ствола в виде пластин смешанного (полурадиального) среза с преобладанием тангенциальной составляющей. Размер исходных пластин составил 150 х 50 х (~)7 мм3 с длинной стороной, взятой вдоль волокон.
Образцы древесины воздушно-сухой степени влажности (20...30%) подвергались баро-
термическому воздействию перегретого насыщенного водяного пара методом взрывного автогидролиза в реакторе периодического действия [4-7]. Температура обработки всех серий образцов составляла 200 ОС. Продолжительность обработки - от 5 секунд до 10 минут. Таким образом, фактор жесткости процесса взрывного автогидролиза, определяемый в соответствии с зависимостью [8]
(T -100)
R =Тв^ ,
где Т - температура процесса обработки (ОС), х - продолжительность процесса (мин.), находился в пределах от 73 до 8800 мин.
После баротермической обработки полученные образцы гидролизованной древесины подвергались сушке в естественных условиях сухого отапливаемого помещения до ком-натно-сухой степени влажности (7...18%), определяемой по состоянию стабилизации массы.
Высушенные образцы гидролизованной древесины березы помещались в разборную пресс-форму и подвергались плоскостному горячему прессованию при температуре 120 или 140 ОС, давление прессования составляло при этом 4,0 и 5,3 МПа соответственно. В целом, методика нагрева и прессования была следующей. После помещения образца в пресс-форму включался ее нагрев с одновременной установкой требуемого давления. В процессе увеличения температуры давление поддерживалось при целевом значении. После достижения температуры, отличающейся от целевой в меньшую сторону на 5..7 ОС, нагрев выключался, температура образца при этом продолжала увеличиваться из-за инертности системы, достигая через несколько минут целевого значения ±1,5 ОС. После этого происходило выдерживание образца при заданном давлении и температуре в течение 3 минут, за которым следовало снятие давления и постепенное охлаждение пресс-формы с образцом до температуры 30..35 ОС. Поликонденсационные процессы, имеющие место при горячем прессовании гидролизованной древесины, приводят к уплотнению материала за счет появления сшитых межмолекулярных структур [9,10]. Физико-механические свойства древесины после баротермической обработки и горячего прессования существенно отличаются от показателей исходной древесины.
Для всех образцов гидролизованной древесины, а также контрольных образцов, не подвергнутых баротермической обработке, определено значение плотности. Кроме того, для образцов термодревесной композиции,
полученных в результате горячего прессования, по стандартным методикампомимо плотности определено значение прочности при изгибе, а также водопоглощения за 24 часа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке 1 представлена зависимость плотности образцов древесины березы, подвергнутой баротермической обработке, от фактора жесткости процесса. Данные образцы не подвергались горячему прессованию после гидролиза. Наблюдается уменьшение плотности древесины с увеличением жесткости процесса ее обработки паром. Зависимость является убывающей по нелинейному закону.
Фактор жесткости мин.
Рисунок 1 - Зависимость плотности гидролизованной древесины березы от фактора жесткости баротермической обработки
Здесь и далее существенный разброс значений необходимо считать результатом действия случайного фактора, обусловленного структурной неоднородностью древесной ткани подвергнутых испытаниям образцов. Даже будучи взятыми из одного ствола и в одинаковых условиях, каждая из пластин отлична от других по наличию и количеству внутренних дефектов, зон уплотнения, их размеру и т.п.
По представленным результатам следует предполагать, что баротермическая обработка древесины березы в условиях жесткости процесса 73..4400 мин. не приводит к значительным деструктивным изменениям в морфологической структуре, следствием чего является уменьшение плотности древесной ткани в таких условиях не более чем на 15 процентов. Обработка же в более жестких условиях, в частности при Р = 8800 мин. приводит к гораздо более существенной деструкции, сопровождаемой интенсификацией расслоения волокон и соответствующим уменьшением плотности гидролизованной древесной ткани.
Горячее прессование гидролизованной древесины сопровождается ее значительным уплотнением, вызываемым размягчением компонентов древесной ткани, а также процессами химической сшивки с образованием межмолекулярных связей [10]. При этом с увеличением жесткости условий баротермической обработки отмечается тенденция неравномерного возрастания плотности образцов получаемого материала (рис. 2,3).
Фактор жесткости мин.
Рисунок - 2 Зависимость плотности термодревесной композиции, отпрессованной при 120ОС от фактора жесткости баротермической обработки
Из представленных рисунков видно, что прессование при 140 ОС с увеличением Ro приводит к быстрому увеличению плотности материала. Резкое возрастание плотности наблюдается уже при небольших значениях Ro. В отличие от этого, в условиях прессования при температуре 120 ОС образцов древесины, гидролизованной при Ro< 880 мин., увеличения плотности практически не происходит.
Фактор жесткости Я0, мин.
Рисунок - 3 Зависимость плотности термодревесной композиции, отпрессованной при 140ОС от фактора жесткости баротермической обработки
При увеличении значения Ro, плотность термодревесного материала, получаемого как
при температуре прессования 120ОС, так и при температуре 140ОС, характеризуется областью условного «насыщения», когда увеличение жесткости условий баротермической обработки не приводит к дальнейшему сколь-либо заметному увеличению плотности материала. Как для температуры 120ОС, так и для температуры 140ОС «насыщение» наступает при практически одинаковых значениях Ro (близких к 3000 мин.). Подобное поведение материала может объясняться тем, что баро-термическая обработка вплоть до Ro = 3000 мин. постепенно увеличивает количество активных групп, участвующих в поликонденсационных процессах при горячем прессовании. Морфологическая структура древесной ткани при этом разрушается незначительно, о чем свидетельствует относительно небольшое изменение плотности таких образцов непосредственно после баротермической обработки (рис. 1). Поэтому в условиях Ro< 3000 мин. процессы сшивки доминируют над процессами деструкции. Дальнейшее же увеличение жесткости процесса способствует интенсификации процессов деструкции лигнина, сопровождаемых значительной деградацией древесной ткани с разрушением целлюлозных волокон. С этого момента деструктивные процессы начинают доминировать над процессами сшивки компонентов. Подтверждением может служить характер зависимости от Ro прочностных характеристик материала (рис. 5 и 6). Как для материала, полученного прессованием при температуре 120ОС, так и для материала, полученного при 140ОС, характерно увеличение прочности с увеличением жесткости условий баротермической обработки. Однако, данное увеличение продолжается лишь до величины Ro« 2000...2500 мин. После чего, с дальнейшим увеличением Ro имеет место резкое ухудшение прочностных характеристик материала. Характерно, что значение фактора жесткости, после которого прочность начинает уменьшаться, коррелирует с отмеченной выше точкой «насыщения» на графиках зависимостей плотности от Ro. Наиболее вероятно, что значение фактора жесткости в 2000.2500 мин определяет некую условную границу, после достижения которой фактор деструкции морфологической структуры древесной ткани начинает доминировать над процессами образования при гидролизе реакци-онноспособных групп. На практике это означает, что баротермическая обработка древесины березы для получения на ее основе термодревесной композиции нецелесообразна в условиях жесткости процесса, превышающего данное значение.
8 К
& I?
1—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Фактор жесткости, Я0, мин.
Рисунок - 5 Зависимость прочности при изгибе термодревесной композиции, отпрессованной при 120ОС от фактора жесткости ба-ротермической обработки
Следует отметить, что прессование гид-ролизованной древесины как при температуре 120ОС, так и при 140ОС обеспечивает близкий результат. В области «насыщения» в обоих случаях плотность составляет около 1250 кг/м3.Прочность при этом также приблизительно равна (200...220 МПа). Таким образом, можно предполагать участие в поликонденсационных процессах большей части реакцион-носпособных компонентов уже при 120ОС, а более высокая температура прессования способствует лишь несколько лучшей структурной однородности получаемых материалов и более точной воспроизводимости результатов.
. о
а> о
о о
£ 2
и
240 220 -200 -180 160 -140120 100 -80-
60
1—'—I—'—I—'—I—'—I—'—I—1—I—'—I—1—I—'—I—1—I
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Фактор жесткости Я, мин.
Рисунок - 6 Зависимость прочности при изгибе термодревесной композиции, отпрессованной при 140ОС от фактора жесткости ба-ротермической обработки
Заключительным этапом стал анализ гидрофобных характеристик материала. На
рис. 7, 8 представлены показатели водопогло-щения термодревесной композиции. Имеет место обратно-экспоненциальная зависимость водопоглощения от Ро.
[а 1 «
. 8
I Я 1 «
100-
4000 6000
Фактор жесткости Я., мин.
Рисунок - 7. Зависимость водопоглощения за 24 часа термодревесной композиции, отпрессованной при 120ОС от фактора жесткости баротермической обработки
Я ^ 80-
Фактор жесткости Я, мин.
Рисунок - 8. Зависимость водопоглощения за 24 часа термодревесной композиции, отпрессованной при 140ОС от фактора жесткости баротермической обработки
С увеличением Р до 2000...2500 мин., синхронно с улучшением прочностных характеристик, наблюдается резкое снижение водопоглощения. Дальнейшее увеличение Р сопровождается сравнительно небольшим уменьшением водопоглощения. Очевидно, что величина водопоглощения определяется прежде всего наличием пустот в структуре материала. Их количество и объем определяют его плотность. Как следствие - практически линейный характер зависимости водопоглощения от плотности, показанный на рис. 9, 10.
220-
200-
180-
160
90
140-
80
120-
70
100
60
50
40
30
20
2000
8000
10000
90-
70
60
50
5 В 40-
30-
20-
2000
4000
6000
8000
10000
Плотность, кг/м3
Рисунок - 9 Зависимость водопоглоще-ния за 24 часа термодревесной композиции, отпрессованной при 120ОС, от его плотности
Таким образом, определенные условия баротермической обработки древесины березы методом взрывного автогидролиза с последующим горячим прессованием обеспечивают получение термодревесного композитного материала с улучшенными характеристиками по сравнению с показателями исходной
древесины. Некоторые сравнительные параметры исходной древесины березы, а также термодревесного композитного материала, полученного на ее основе, представлены в таблице.
^ 70-
т зо-
700 800 900 1000 1100 1200 1300 Плотность, кг/м3
Рисунок 10 - Зависимость водопоглощения за 24 часа термодревесной композиции, отпрессованной при 140ОС, от его плотности
100
90
80
100-
70
I 60
90
50
80-
3 40
30
и 60 3
20
700
800
900
1000
1100
1200
1300
50-
= 40-
20-
Таблица - Характеристики исходного и обработанного древесного материала
Метод обработки Температура прессования, 0С Фактор жесткости, мин. Плотность, кг/м3 Прочность при статическом изгибе, МПа Водопо-глоще-ние за 24 часа, %
без обработки - - 560 125 85
прессование 120 0 712 123 77
прессование 140 0 774 176 85
гидролиз, прессование 120 880 813 145 70
гидролиз, прессование 140 880 961 137 47
гидролиз, прессование 120 1760 1098 202 48
гидролиз, прессование 140 1760 1136 225 38
гидролиз, прессование 120 3080 1148 130 41
гидролиз, прессование 140 3080 1236 154 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Баротермическая обработка древесины березы в среде насыщенного пара, сопровождаемая взрывной декомпрессией системы, вызывает гидролитические и структурно-деструктивные изменения в древесной ткани. При этом наблюдается тенденция уменьше-
ния плотности древесины с увеличением фактора жесткости ^0) баротермического процесса. Горячее прессование гидролизованной древесины приводит к ее значительному уплотнению, степень которого, помимо условий прессования, определяется температурой и продолжительностью баротермического воздействия на древесину. Результат горячего прессования гидролизованной древесины при
температурах 120ОС и 140ОС не дает существенных отличий. В обоих случаях область условного «насыщения», при которой существенного увеличения плотности материала далее не наблюдается, соответствует значению R0~ 3000 мин.
Наряду с увеличением плотности образцов, полученных в условиях жесткости баро-термической обработки до ~ 2500 мин., характерно пропорциональное увеличение прочностных характеристик термодревесной композиции. Увеличение R0 свыше 2500 мин. влечет за собой резкое снижение прочностных характеристик материала, обусловленное интенсификацией процессов термической и гидролитической деструкции, их доминированием над процессами образования химических связей между компонентами древесного комплекса. Пропорционально увеличению плотности материала происходит уменьшение его водопоглощения. Между данными параметрами наблюдается линейная зависимость.
Баротермическая обработка древесины березы для получения на ее основе термодревесной композиции с оптимальными физико-механическими характеристиками целесообразна в условиях фактора жесткости процесса 2000...2500 мин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Леса СССР. Том 4, Леса Урала, Сибири и Дальнего востока. // гл. ред. А.Б. Жуков. - М.: Наука. - 1969. - 768с.
2. Технология отделки древесины. Б.М. Буг-лай. Учебник для вузов. - М.: Лесная промышленность. - 1973. - 304 с.
3. Древесина. Обработка и декоративная отделка. Прието Дж., Кине Ю. - М.: Пэйнт-медиа. -2008. - 392 с.
4. А.А. Беушев, Ю.Г. Скурыдин, Е.М. Скуры-дина, О.С. Беушева, А.Н. Афаньков, Ю.Ж. Ногба, В.В. Коньшин. Химическая модификация оболочек овса посевного, Avena Sativa, методом взрывного автогидролиза // Ползуновский вестник. - 2016. - № 2. - С. 177-180.
5. Скурыдин Ю.Г. Строение и свойства композиционных материалов полученных из отходов древесины после взрывного гидролиза: дис. ... канд. техн. наук / Ю.Г. Скурыдин. - Барнаул, 2000. 135 с.
6. Скурыдина Е.М.Разработка технологии композиционных материалов на основе древесины и полимерных наполнителей: дис. ... канд. техн. наук / Е.М. Скурыдина. - Барнаул, 2006 170 с.
7. Беушева, О. С. Ресурсосберегающая технология переработки отходов древесины лиственницы: дис. ... канд. техн. наук / О. С. Беушева. - Барнаул, 2006. - 129 с.
8. Overend, R.P. Fractionation of lignocellulo-sies by steam aqueous pretreatments / R.P. Overend, E. Chornet // Philosophical Transactions of the Royal Society A. - 1987. - Vol. 321. - № 1561. - pp. 523536. DOI: 10.1098/rsta. 1987.0029
9. Startsev O.V., Salin B.N., SkuridinYu.G., Utemesov R.M., Nasonov A.D Physical Properties and Molecular Mobility of New Wood Composite Plastic «ThermobaNte» // Wood Science and Technology. -1999.-V.33, Issue 1. - pp.73 - 83. DOI: https://doi.org/10.1007/s002260050100
10.Startsev O.V. Barothermalhydrolisis of wood in presence of mineral acids / O.V. Startsev, B.N. Salin, Yu.G. Skurydin. // Доклады Академии наук. - 2000. -Т. 370. - № 5. - С. 638-641.
Скурыдин Юрий Геннадьевич, к. т. н.,
доцент кафедры вычислительной техники и электроники, Алтайский государственный университет, e-mail: skuridin@mc.asu.ru.
Скурыдина Елена Михайловна, к.т.н., доцент кафедры информационных технологий, Алтайский государственный педагогический университет, e-mail: skudem@rambler.ru.
Коньшин Вадим Владимирович, д.х.н., заведующий кафедрой «Химическая технология» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, e-mail: vadandral@mail.ru.
Ногба Юку Жан, аспирант кафедры «Химическая технология» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, e-mail: vadandral@mail.ru.
Беушева Ольга Сергеевна, к.т.н., доцент кафедры «Химическая технология» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, e-mail: vadandral@mail.ru.
Афаньков Антон Николаевич, аспирант кафедры «Строительные материалы» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, e-mail: vadandral@mail.ru.
Беушев Александр Анатольевич, к.х.н., директор института биотехнологии, пищевой и химической инженерии Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, e-mail: baa7@list.ru.
