3996

11

получения «лигнамона» автоклавным методом нашла применение в Словакии, где «лигнамон» производится для моделей литья и товаров народного потребления. Недостатком данного способа является необходимость работы с токсичным аммиаком и, как следствие, сложность технологического оборудования.

Анализ способов модифицирования древесины закономерно ставит вопрос: целесообразно ли экономически модифицировать древесину? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим проблему с другой стороны: является ли модифицированная древесина уникальным материалом, не имеющим традиционных сфер применения? Нет, все современные марки модифицированной древесины позволяют квалифицировать ее как материал, идущий на замену классических конструкционных материалов. Так, прессованная древесина применяется как заменитель черных и цветных металлов, пластиков и пластмасс в узлах трения машин и механизмов. Поэтому, несмотря на примитивную технологию получения и, как следствие, на очень высокую себестоимость, подшипники скольжения и ткацкие челноки из прессованной древесины будут находить применение, хотя и в небольших объемах.

Широкое развитие модифицирования древесины следует ожидать в том случае, если технология ее получения будет усовершенствована до такой степени, что себестоимость изделий из модифицированной древесины будет значительно ниже себестоимости изделий из древесины твердых лиственных пород.

При изучении этого раздела необходимо различать феноменологическую и физическую классификацию способов модифицирования древесины.

Необходимо уметь пользоваться классификатором приведенном в таблице на рис. 1 учебного пособия «Модифицирование древесины», при этом важно знать, какими техническими приемами достигается реализация каждого способа. Перечень этих приемов приводится ниже:

А. Пропитка антисептиками.

Б. Пропитка синтетическими мономерами и олигомерами. В. Пропитка синтетическими смолами.

Г. Ацетилирование.

Д. Пропитка гидроксилсодержащими агентами. Е. Прессование.

Ж. Пропитка антипиренами.

З. Пропитка кремнийорганическими соединениями.

12

И. Пропитка аммиаком и аминами. К. Пропитка карбамидом и амидами. Л. Гидротермическая обработка.

М. Пропитка красителями.

Н. Пропитка антифрикционными и фрикционными составами. О. Пропитка металлами и сплавами.

П. Пропитка серой, персульфатом аммония, диметилсульфоксидом.

Р. Воздействие магнитных, электрических, звуковых полей, ионизирующей и лучевой радиации.

Вопросы для самоконтроля:

1.Что такое модифицирование древесины?

2.Какие 4 способа существуют по феноменологическому признаку?

3.Перечислите 10 основных способов модифицирования древесины.

4.Какие 16 технических приемов обеспечивают реализацию 10 способов?

5.Какие 3 основных направления исследований в области модифицирования древесины следует ожидать в 21 веке?

6.Почему химико-механическое модифицирования имеет преимущества перед другими способами?

3.3 Термомеханическое модифицирование древесины

Самый старый из известных способов модифицирования древесины. Прессованная древесина впервые была получена в Германии братьями Пфлеймер в 1915г. под названием лигностон (дерево-камень).

Физическая сущность способа заключается в сжатии (прессовании) древесины под механическим давлением, при котором уменьшается ее объем и увеличивается ее плотность. Древесина является пористым материалом и от 20 до 80 % ее объема, в зависимости от породы, занимает воздух. При сжатии древесины объем, занимаемый воздухом, уменьшается и, соответственно, увеличивается объем, занимаемый собственно древесным веществом. Наибольшее развитие прессование древесины получило в СССР, где учеными Н.Т. Нысенко, Б.Т. Ивом, Г. Матвеевым, П.Н. Хухрянским были разработаны теория и практика прессования древесины.

13

Теория прессования древесины, сформулированная Хухрянским, включает 3 положения:

1.Прочность древесины всех пород можно повысить путем ее уплотнения, т.е. за счет увеличения количества древесного вещества в единице объема, если это уплотнение не будет связано с разрушением клеток.

2.Прессование древесины следует производить поперек волокон, причем, все хвойные и лиственные кольцесосудистые породы следует прессовать в радиальном направлении, а лиственные рассеянно-сосудистые породы

–в радиальном и тангенциальном направлении.

3.Прессовать древесину необходимо в размягченном состоянии с последующей сушкой и охлаждением деформированной древесины для закрепления ее формы.

При изучении этого раздела следует ознакомиться с информацией изложенной в учебнике, а также в методических указаниях к проведению лабораторных работ по модификации древесины в лабораторных работах №1-3.

Важно уметь пользоваться диаграммой «напряжение-деформация» и уметь рассчитывать степень прессования с учетом изменения влажности после сушки для одноосного, контурного сплошного, контурного по-

лого прессования, объемного прессования. Следует четко знать и применять 3 положения теории П.Н. Хухрянского.

Примеры:

3.3.1 Модифицированием древесины называется…

Ответ: направленное изменение одних свойств без ухудшения других свойств

3.3.2 Основными техническими приемами модифицирования являются…

Ответ: 1. пропитка; 2. прессование; 3. сушка

3.3.3 При сжатии образца древесины березы до 30 % происходит следующее...

Ответ: наблюдается значительный скачок деформации, в результате чего происходит смятие стенок крупных и мелких сосудов, особенно в местах наибольшего скопления крупных сосудов

3.3.4 Одно из положений теории Хухрянского гласит…

Ответ: Прессование древесины следует производить поперек волокон, причем, все хвойные и лиственные кольцесосудистые породы следует прессо-

14

вать в радиальном направлении, а лиственные рассеянно-сосудистые породы – в радиальном и тангенциальном направлении

3.3.5 При прессовании в полурадиальном направлении…

1.полости клеток сжимаются в обоих направлениях

2.полости клеток сжимаются в радиальном направлении

3.полости клеток сжимаются в поперечном направлении

3.3.6 Рациональные конструкции подшипников для наружных диаметров до 50 мм…

Ответ: из сегментов прессованной древесины с радиальным расположением волокон, склеенных между собой или скрепленных бумажной лентой, а также контурного прессования

Вопросы для самоконтроля:

1.Что такое прессование древесины?

2.Каковы 3 положения теории П.Н. Хухрянского?

3.Как рассчитать степень прессования для одноосного, контурного и объемного прессования?

4.Какое оборудование применяется при ТММ?

5.Какая оснастка используется при прессовании древесины?

6.Какие режимы пропаривания древесины?

7.Каковы режимы сушки прессованной древесины и почему они отличаются от режимов сушки натуральной древесины?

8.Что такое гнутье древесины?

3.4 Термохимическое, радиацинно-химическое и химическое модифицирование древесины

При знакомстве с этим разделом вначале следует ознакомиться с составом модификаторов, в частности, с мономерами, олигомерами и синтетическими смолами, а также выучить катализаторы отверждения при термохимическом и радиационно-химическом модифицировании.

Следует обратить внимание на 3 типа реакций при химическом модифицировании, т.е. с уксусной кислотой, уксусным ангидридом и кетеном. Следует детально ознакомится со структурно-технологической схемой авто-

15

клавной пропитки древесины модификаторами, обратив внимание на экологическую безопасность производства и его малоотходность.

Примеры:

3.4.1 Рассчитать количество полиметилметакрилата (ПММК) в древесине березы, влажностью 20%, полостях и стенках клеток, если поглощение полиметилметакрилата составило 200 кг на м3, а распределение ПММК в полостях клеток и сосудов по отношению к содержанию ПММК в стенках клеток относится как 4:1 Решение: В 1м3 березы полностью 600 кг/м3 содержится 600 кг древесного

вещества и воды, причем содержание сухого древесного вещества определиться следующим образом:

Содержание ПММК в древесине определится из формулы:

где Sм – количество ПММК

Поскольку общее количество ПММК распределяется в соотношении 4:1 это означает, что 80% ПММК находится в полостях клеток и сосудов, а 20% в стенках клеток. Тогда количество ПММК в стенках клеток будет

В полостях клеток и сосудов

3.4.2 Термообработка способствует…

Ответ: уменьшению содержания растворимых веществ

16

Вопросы для самоконтроля:

1.Перечислите мономеры, используемые при ТХМ.

2.Какие олигомеры используются при ТХМ?

3.Какие растворители используются для синтетических смол?

4.Какие катализаторы используются при ТХМ?

5.Что такое степень конверсии мономера?

6.Как зависит доза радиации от мощности дозы?

7.По какой формуле рассчитывается степень наполнения древесины для стенок клеток и для полостей сосудов и клеток?

8.Какова структурно-технологическая схема ацетилирования древесины?

3.5 Пропитка, сушка и прессование древесины

При изучении этого раздела следует понимать, что пропитка с торца под давлением является важнейшей операцией при следующих видах обработки древесины: а) пластификация, б) антисептирование, в) антипирирование, г) крашение и изменение текстуры, д) придание антифрикционных свойств, е) увеличение теплопроизводности, ж) упрочнение.

Процессы пропитки постоянно совершенствуется и за последние 7 лет с момента выхода учебного пособия появились новые способы, которые приведены ниже:

Модель пропитки древесины с торца под давлением

Разработка оптимальных технологических режимов пропитки древесины с торца под давлением невозможна без учета макро и микроскопического строения древесины.

При производстве прессованной древесины (марки дестем) в качестве основы используют древесину главным образом мягких лиственных породберезы, ольхи, осины.

Древесина данных пород сложное пористососудистое строение, характеризующееся наличием сосудов, сердцевинных лучей и различного рода микро и макрополостей (полости клеток), соединенных между собой системами пор.

В процессе пропитки древесины первоначально происходит заполнение крупных, макроскопических полостей, непосредственно связанных с окружающей средой, а затем раствор проникает в микрополости, связанные с

17

макрополостями системами пор. Таким образом, на характер и степень пропитки основное влияние оказывают макрополости (сосуды).

Сосуды имеются только в древесине лиственных пород и представляют собой составленные из отдельных клеток – члеников длинные трубки с широкой полостью и относительно тонкими стенками. Эти элементы особенно хорошо приспособлены для передвижения воды вдоль ствола дерева.

Каждый сосуд слагается из отдельных клеток – члеников, у которых верхняя и нижняя стенки разрушились частично или полностью. Если образовалось одно (редко, два) круглое или овальное отверстие, то такая перфорация называется простой. При появлении ряда щелевидных отверстий перфорация называется лестничной. Сосуды с ярко выраженной лестничной перфорацией бывают у березы, ольхи. Сосуды с простой перфорацией бывают у осины.

Сосуды в стволе отклоняются от вертикали в тангенциальном и отчасти в радиальном направлениях. Благодаря концевым и промежуточным контактам сосудов создается единая пространственно разветвленная водопроводящая система.

Объѐм сосудов в древесине неодинаков; он зависит от породы древесины, плотности, условий произрастания и других факторов. Объѐм сосудов в древесине различных пород колеблется от 17 до 43%. Для древесных пород (березы, осины, ольхи) применяемых при производстве Дестама, объѐм сосудов в процентном соотношении в зависимости от плотности составляет для березы (плотность 640 кг/м3) – 24,7%, для осины (плотность 460 кг/м3) – 26,4%, для ольхи (плотность 540 кг/м3) – 29,0%.

Подробнее остановимся на особенностях строения древесины березы, осины, ольхи как основных элементов исследования.

БЕРЕЗА

Древесина березы рассеяннососудистая, белого цвета, с легким желтоватым или красноватым оттенком. Сосуды среднего диаметра, относительно немногочисленные, равномерно распределены по всей ширине годичного слоя. Членики сосудов длинные, с острыми короткими или удлиненными клювиками. Перфорационные пластинки сосудов лестничные, расположены на боковых или косопоставленных поперечных стенках. Перекладины перфораций сосудов тонкие, по 16...30 (в среднем по 20...25) перекладин в перфорации.

18

ОСИНА

Сосуды очень многочисленные, тонкостенные, округлые или угловатые, равномерно рассеянные без определенного рисунка по всей ширине годичного слоя. Иногда просвет сосудов (на поперечном срезе) занимают до 50% площади среза. Членики сосудов короткие, с небольшими тупыми клювиками или без клювиков. Перфорационные пластинки между члениками наклонные, простые с одним круглым отверстием.

ОЛЬХА

Древесина рассеяннососудистая. Сосуды одного типа, не очень многочисленные, равномерно распределены по годичному кольцу, слегка уменьшаются в количестве и размерах в направлении к внешней границы, одиночные или в небольших радиальных цепочках и группах по 2...4 (7), в поздней древесине цепочки могут состоять из большого числа (до 15) просветов и непосредственно примыкать к крупным сосудам ранней древесины следующего годичного кольца. Членики сосудов тонкостенные короткие и средней длины (300...500 мкм) с небольшими закругленными или тупыми клювиками, клювики могут отсутствовать. Перфорационные пластинки простые на поперечных, часто скошенных стенках, реже на боковых.

Для описания процесса пропитки и определения времени пропитки нами была создана техническая модель древесины березы, ольхи и осины.

Техническая модель разрабатывалась с учетом экспериментальных данных, опубликованных в работах В.Е. Вихрова, Н.И. Никитина, Л.М. Перелыгина и наших данных, полученных, а результате замеров анатомических элементов на микрофотографиях.

Замеры анатомических элементов производились с помощью лупы с 24-х кратным увеличением и ценой деления 5 мкм. После измерения относительные размеры с помощью масштаба увеличения переводились в фактические. Техническая модель древесины березы, ольхи и осины представлена в табл. 1.

Древесина обладает сложной структурой, которой нельзя дать четкое математическое описание, поэтому появилась необходимость в создании упрощенной модели структуры древесины. Сосуды древесины лиственных пород можно представить в виде трубок, в которых присутствуют, перфорации. Представим, что перфорации отсутствуют и движение жидкости осуществляется по трубам сосудов, а далее по порам, соединяющим сосуды (рис. 1).

19

Таблица 1 - Техническая модель древесины мягких лиственных пород

1 – сосуд; 2 – лестничные перфорации; 3 – поры Рисунок 1 - Схема пропитки древесины березы с торца под давлением

Существует ряд уравнений В.И. Патякина и П.С. Серговского для пропитки древесины под давлением, в которых за основу взято уравнение Дарси.

Вобщем, виде уравнение Дарси выглядит следующим образом:

i= kμ-1 dp/dx ,

где I – поток жидкости; к – коэффициент проницаемости; ар/ах – градиент даления.

На процесс пропитки древесины с торца под давлением влияние оказывают следующие факторы:

20

1)площади перфорации, диаметр и количества пор, длина заготовки;

2)вязкость пропитывающего раствора (выбор оптимальной вязкости способствует наиболее высокому и равномерному по всему объему наполнению древесины);

3)давление, при котором будет происходить процесс пропитки;

4)влажность древесины при пропитке: если влажность древесины высокая (равная или выше точки насыщения волокна), то влага, находясь в порах и сосудах древесины в жидкой и паровоздушной фазах, создает внутреннее гидростатическое противодавление, препятствующее продвижению пропитывающего раствора.

Т.е. τ = f(d, 1, Р, V).

При составлении уравнения мы использовали следующие ограничения:

1)пренебрегаем трением жидкости о стенки сосудов;

2)фронт пропитки движется строго по оси ствола;

3)принимаем поток ламинарным;

4)пропитка идет строго по сосудам и порам, соединяющие сосуды. Время пропитки древесины с торца определяют по эмпирической фор-

муле:

где к – коэффициент проницаемости древесины; μ- вязкость пропиточного раствора, Пас; 10 – длина сосуда, м; Sэф – эффективная площадь сосуда, м2 ; (dэф – диаметр пор, м; l1 толщина поры, равная двум толщинам стенки сосуда м; Р – давление, МПа.

Разность давлений при движении жидкости: (Ро – Рк)N = Рз – Ратм

где N – число повторяющихся элементов на длине образца;

P0 и Рз – заданное давление; Рк и Ратм – конечное и атмосферное давле-

ние.

N = L / (l + l1)

Тогда разность давлений

Ро – Рk = ((Рз – Ратм)(lо + l1))L