Соколов И.В.
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 её тепломассообмен 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 Wп.г., %,равновесная влажность Wр., %.Тепловые свойства древесины.Исследованиями тепловых свойств древесины в различные годы занимались К.Р. Кантер [8, 9], А.П. Комиссаров [11], Г.С. Шубин иЭ.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/(кг·град), коэффициент теплопроводности ?, 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 аm, м2/с,термоградиентный коэффициент ?, град-1,коэффициент теплообмена ?, Вт/(м2·град),коэффициент влагообмена (влагоотдачи) ?m, м2/с,критерий фазового превращения ?.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 ?пр, 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 ? 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, температуро-проводность) – 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.
Номер журнала Вестник науки №5 (74) том 2
Ссылка для цитирования:
Соколов И.В. СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ КАК МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРГАЕМОГО СУШКЕ И ТЕРМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ // Вестник науки №5 (74) том 2. С. 783 - 793. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/14447 (дата обращения: 09.12.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2024. 16+