Возможные механизмы поглощения ультразвука в древесине Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Уменьшение числа частиц на единицу площади контакта ведет к повышению термосопротивления. Это можно объяснить тем, что за счет уменьшения количества частиц растет вклад от увеличения приведенной толщины воздушной прослойки и уменьшения площади непосредственного контакта между поверхностями контактной пары.

В заключение можно отметить, что предлагаемые технологические приемы направленного регулирования процесса теплопереноса через разъемные соединения расширяют диапазон инженерных решений по созданию надежной теплоизоляции в различных теплонапряженных системах с составными элементами.

Библиографический список

1. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царев-ский С.Н. Контактное термическое сопротивление. - М.: Энергия, 1997. 328 с.

2. Мадхусудана К.В., Флетчер Л.С. Контактная теплопередача. Исследования последнего десятилетия // Аэрокосмическая техника, 1987. № 3. С. 103-120.

3. Попов В.М., Ерин О.Л., Кондратенко И.Ю. Теплообмен через металлические соединения с заполнителями в зоне контакта // Лесотехнический журнал. Н / ВГЛТА, 2011. № 4 (4). С. 43-46.

4. Попов В.М., Ерин О.Л., Кондратенко И.Ю. Теплообмен через соединения с заполнителями в зоне контакта // Вестник ВГТУ, 2011. Т. 7. № 6. С. 37-39.

УДК 544.16

ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В ДРЕВЕСИНЕ

В. В. Постников, Н. С. Камалова

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

vvpost@icmail.ru

В модифицированном виде древесину широко используют в промышленности в качестве заменителя целого ряда конструкционных материалов [1]. Натуральная древесина представляет собой очень сложную по структуре гетерогенную систему. Как видно из приведенной на рис. 1 электронной фотографии, древесина представляет собой пористую структуру, стенки которой неоднородны по своему составу.

Рис. 1. Электронная фотография поперечного среза образца березы

На рис. 2 представлена упрощенная модель Лизе [2] клеточных стенок древесины, объясняющая их неоднородность тем, что стенки пор состоят из волокнообразующей частично кристаллической целлюлозы и аморфного лигнина, имеют слоистую структуру, и в каждом слое процентное содержание лигнина и целлюлозы, а также направление волокон последней, различны.

В таблице приведены сведения о толщине каждого слоя, направлении волокон и процент, приходящейся на каждый слой. Из нее видно, что срединная пластинка и средний слой вторичной оболочки составляют 84,3 % всей толщины клеточной стенки. При этом средний слой вторичной оболочки состоит, в основном, из целлюлозы, а срединная пластинка - из лигнина.

Рис. 2. Модель клеточной стенки древесины [2]:

1 - бородавочный слой, 2 - 4 - вторичная оболочка, 5 - первичная оболочка,

6 - срединная пластинка

Таблица

На рис. 1 Наименование слоя Толщина, мкм Направление волокон в слое Процентный вклад, %

2 Внутренний вторичной оболочки до 0,2 50-90° 2,5

3 Средний вторичной оболочки до 5 5-15° Изредка до 30° 64,9

4 Внешний вторичной оболочки 0,1-0,5 Z-образные спирали 6,4

5 Первичная оболочка 0,1-0,5 Беспорядочное расположение 6,4

6 Срединная пластинка до 1,5 Практически нет целлюлозы 19,4

Говоря другими словами, вещество древесины можно моделировать сеткой. Толщина стенок ячеек около 6,5 мкм, а само вещество - сложный полимерный композит, состоящий из волокнообразующей целлюлозы и аморфного лигнина.

Для успешного модифицирования (уплотнения) древесины необходимо лигнин перевести из стеклообразного (в таком состоянии он находится в обычных условиях) в вязкотекучее состояние, то есть провести пластифицирование древесины.

Ранее для этого использовались способы химического воздействия на образцы древесины, например, с помощью токсичного аммиака [1]. Как показали последние исследования, для этой цели можно также использовать обработку образцов ультразвуком [3].

Известно [4], что в таких системах как жидкости и газы (вещества, заполняющие поры древесины) ультразвук практически не поглощается, и, следова-

вом воздействии меняется незначительно. В стенках же сетки возможно поглощение, например, за счет возникновения механического трения на границе ультразвукового датчика (наконечника) и поверхности образца. Если обозначить через FN среднюю силу нормального давления ультразвукового наконечника на первый слой стенки ( FN = ртах S/2, где ртах - амплитуда давления ультразвука, S - площадь контакта), то мощность поглощенной энергии

тельно, их температура при ультразвуко-

^ = 2П^5 = 2пфтах 2 = !ЛРу 5^0

(1)

где Ру - мощность ультразвука,

5 - величина проскальзывания наконечника по поверхности образца,

^0 - амплитуда колебаний ультразвука,

ц - коэффициент сухого трения в месте контакта древесина-металл. Полагая, что вся энергия ультразвука (в силу диссипативности силы трения) расходуется на нагревание образца древесины, для оценки изменения его температуры на границе с наконечником (обозначим

V

где Fвяз « ^ -- - сила вязкого трения (щ -

коэффициент вязкости лигнина,

V/l - градиент скорости молекул лигнина вдоль толщины стенки,

S - площадь контакта образца и наконечника),

є - глубина проникновения ультразвука в лигнин (эту величину оцениваем как размер срединной пластинки, которая, как следует из таблицы, составляет 1,5 мкм).

эту величину &1) можно воспользоваться уравнением теплового баланса С©! = ,

из которого следует

©1 = Ц:^С, (2)

где С - теплоемкость сетки,

I - время воздействия.

Вторым механизмом поглощения является вязкое трение в срединной пластинке клеточной стенки, т.е. непосредственно в лигнине. Эту мощность можно оценить как

42 = а) = 2п[ ^е/21 = ФРу^1 Ртах1 , (3)

Поскольку V * ^ /2 = 2Ц[$0 /2 ,

где ^0 - амплитуда смещения молекул

вследствие воздействия ультразвука, а мощность ультразвука можно оценить, как Ру = 2^ртах/2, выражение (3) можно привести к виду

42 = 2ц: ^е/21 = ФРуе/Ртах1 , (4)

а изменение температуры во внутренних слоях сетки при обработке ультразвуком будет при этом определяться соотношением

0 2 = q2t/C . (5) Изменение температуры внешних

слоев сетки будет, очевидно, определяться суммой (2) и (5)

0 =t (qjC + q 21 сл) = q2(1+см&max V t = q 2t (1 + Am), (6)

Здесь Сл - теплоемкость лигнина.

где

A = C^5pn

Am =

4С,;пг$0'

Из рассмотренных соотношений ясно, что при ультразвуковой обработке внутри образца возникает неоднородность распределения температуры. Ранее нами было установлено [5], что в тонких древесных слоях, помещенных в неоднородное температурное поле (за счет пьезо- и пироэлектрических свойств кристаллической части целлюлозы и поляризации свободных боковых групп ее макромолекул) возникает разность потенциалов, которая прямо пропорциональна величине неодно-

родности температуры. Следовательно, можно решить задачу о распределении разности температуры в слое, решая уравнение теплопроводности для слоя (неоднородности в виду малости толщины слоя считаем незначительными, а контакт образца с наконечником - идеальным):

а© а2 0

---= а—г

at ах

(7)

где а - коэффициент температуропроводности клеточной стенки. Начальное значение ©(х, * = 0) = 0, а граничное определяется выражением (6). Решение такого уравнения известно; для малых х оно имеет вид [6]

©1(X *) = 42(1 + Ат )г1Сп •(1 -1,06Х^ ) . (8)

Внутри стенки сетки величина ©(х, *) будет оцениваться при решении уравнения (7) с граничным условием (4), поэтому максимальная разность изменения температуры в приповерхностном слое

Возникающая при этом разность потенциалов в приповерхностном слое, находящемся (вследствие действия ультразвука) в неоднородном температурном поле, определится выражением

02(Xt) = q2AmtlC, • (1 -1,06). (9) U(хt) = q2K(1 + Am )t/C* •(1 -1,06xVa),

(10)

где К - коэффициент, зависящий от пье-зо- и пироэлектрических свойств кристаллической целлюлозы, степени ее кристалличности и числа относительно свободных боковых групп ее макромолекул.

Выражение (8) показывает, что согласно теоретической оценке глубина проникновения в образец ультразвука не зависит от его мощности, а прямо пропорцио-

нальна квадратному корню от произведения времени обработки на температуропроводность целлюлозно-лигнинной сетки, что подтверждается экспериментом.

Выражение (10) может лечь в основу нового метода изучения распределения температуры в клеточной стенке древесины при обработке ее ультразвуком. В свою очередь, термоэлектрические эффекты, возникающие в процессе поглощения дре-

весиной ультразвука, дают возможность прогнозировать оптимальные технологические параметры режимов ультразвукового воздействия на образец в тех или иных конкретных случаях.

Библиографический список

1. Шамаев В.А. Химикомеханическое модифицирование древесины. - Воронеж: ВГЛТА. 2003. 260 с.

2. Богомолов Б.Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений. - М.: Химия. 1973. 400 с.

3. Постников В.В., Камалова Н.С., Кальченко С.В. Ультразвуковая пластифи-

кация лигнина в модифицированной древесине // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. №9. С. 1375-1376.

4. Физические основы ультразвуковой технологии // Сборник статей под ред. Розенберга Л.Д. - М: Наука. - 1970. - 688с.

5. Евсикова Н.Ю., Камалова Н.С., Матвеев Н.Н., Постников В.В. Новый подход к определению степени кристалличности целлюлозы в древесине // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. № 9.

С. 1373-1374.

6. Полянин А.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. - М.: Физ.-мат. литература. 2001. 575 с.

УДК 620:674.049

ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОФОБИЗИРУЮЩИХ И МОДИФИЦИРУЮЩИХ СОСТАВОВ ДЛЯ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСНОГО АРМИРУЮЩЕГО

ЗАПОЛНИТЕЛЯ

Т. Н. Стородубцева, В. И. Харчевников, А. И. Томилин, К. В. Батурин

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

tamara-tns@yandex.ru

Древесина - основная продукция лесов. Ее потребляют все отрасли народного хозяйства. Она прочна и легка, имеет хорошие теплоизоляционные свойства, способность без разрушения поглощать энергию при ударных нагрузках, гасить вибрации. Древесина легко поддается механической обработке, склеиванию, удерживает металлические и другие крепления, обладает уникальной резонансной способностью. Она используется для производства строительных деталей и конструкций, домов, мебели, музыкальных инструментов,

тары и спортивного инвентаря, в качестве шпал, крепи для угольной и горно-рудной промышленности, а также для многих других целей [1].

Древесина представляет собой совокупность множества высоко- и низкомолекулярных соединений, образующих природный полимерный материал клеточноволокнистого строения с развитой пористой структурой. По качеству многие виды древесины даже в пределах одной породы далеко неравнозначны. Максимальное использование потенциальных возможностей