Физико-химические основы технологии столярно-строительных изделий методические указания по самостоятельному изучению дисциплины для студентов направления 250400 Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра технологии лесопиления и сушки древесины

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СТОЛЯРНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Методические указания по самостоятельному изучению дисциплины

для студентов направления 250400 «Технология лесозаготовительных

и деревоперерабатывающих производств»

Санкт-Петербург

2013

Рассмотрены и рекомендованы к изданию учебно-методической комиссией

факультета механической технологии древесины Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 15 октября 2013 г.

Составители

доктор технических наук, профессор А. Н. Чубинский, кандидат технических наук, доцент Г. С. Варанкина, кандидат технических наук, доцент А. А. Федяев

Отв. редактор доктор технических наук, профессор А. Н. Чубинский

Рецензент

кафедра технологии лесопиления и сушки древесины

Физико-химические основы технологии столярно-строитель-

ных изделий: методические указания по самостоятельному изучению дисциплины для студентов направления 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» / сост.: А. Н. Чубинский, Г. С. Варанкина, А. А. Федяев. – СПб.: СПбГЛТУ, 2013. – 20 с.

В методических указаниях представлена программа дисциплины, методические указания по ее самостоятельному изучению, контрольные вопросы для самостоятельной проверки знаний, дан список рекомендуемой литературы.

Темплан 2013 г. Изд. № 195.

2

Прежде чем приступить к изучению дисциплины, студенту необходимо ознакомиться с программой курса. В процессе работы желательно составлять краткие конспекты по каждой теме дисциплины на основе литературных источников. После изучения каждой темы целесообразно устраивать самоконтроль, отвечая на вопросы тематического содержания курса.

После успешного проведения лабораторных и практических работ, контрольного тестирования студент допускается к сдаче экзамена.

Цель изучения дисциплины: получить знания и умения в области физико-химических основ технологии столярно-строительных изделий.

Задачи дисциплины:

–усвоение основных технологических свойств древесины, клеящих и лакокрасочных материалов;

–усвоение принципов взаимодействия древесины с клеящими и лакокрасочными материалами;

–усвоение влияния технологии обработки древесины на ее эксплуатационные свойства.

Врезультате изучения дисциплины студент может:

Знать:

–основные физико-механические и технологические свойства древе-

сины;

–основы взаимодействия древесины с клеящими и лакокрасочными материалами;

–влияние технологии обработки на эксплуатационные свойства продукции из древесины.

Уметь:

–обосновывать технологические режимы обработки древесины в производстве столярно-строительных изделий.

Владеть:

–методиками обоснования параметров режимов обработки древесины.

2.ТЕМАТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

2.1. Лекционный курс

Тема 1. Древесина как объект физико-химической обработки. Состав и строение древесины. Существенные различия хвойных и лиственных пород древесины, влияющие на технологию их обработки. Древесина как природный высокополимер. Строение целлюлозных фибрилл, межмолекулярное взаимодействие и водородные связи в целлюлозе. Древесина как капиллярнопористое тело. Физические свойства древесины и их влияние на технологию ее обработки. Связь древесины с водой. Механические свойства древесины; деформации и напряжения при нагружении древесины.

4

Тема 2. Тепло- и массоперенос в древесине и древесных материалах при их обработке. Основные понятия и определения молекулярной физики и термодинамики. Существенные отличия переноса тепла и массы в ка- пиллярно-пористых телах. Кинетика нагрева древесины. Математическое описание процессов теплопереноса. Основы массообменных процессов. Массообмен в жидкой фазе. Перенос жидкости в древесину. Глубина проникновения связующих и защитно-декоративных материалов в подложку. Избирательное поглощение.

Тема 3. Теоретические основы взаимодействия веществ и их составных частей. Иерархия взаимодействия веществ. Основные понятия и определения. Поверхностные явления при контакте жидкости и твердого тела; смачивание и растекание, перенос жидкости. Адсорбция. Поверхностное натяжение и поверхностная энергия. Атомно-молекулярное строение веществ, строение молекул и природа химической связи. Теории адгезии: механическая, адсорбционная, диффузионная, электрическая, электрорелаксационная. Современные представления о механизме адгезионного взаимодействия. Факторы, влияющие на качество склеивания.

2.2. Практические занятия

ПР-1. Обоснование параметров технологии обработки древесины резанием.

ПР-2. Обоснование технологии склеивания древесины в производстве столярно-строительных изделий.

ПР-3. Обоснование технологии защитно-декоративной обработки сто- лярно-строительных изделий.

2.3. Лабораторные занятия

ЛР-1. Исследование механических свойств древесных материалов. ЛР-2. Исследование поверхностных свойств древесных материалов. ЛР-3. Исследование поверхностного взаимодействия адгезива и под-

ложки.

2.4. Библиографический список

1. Уголев, Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение /

Б. Н. Уголев. – М.: МГУЛ, 2007. – 351 с.

2.Чубинский, А. Н. Моделирование процессов склеивания древесных материалов / А. Н. Чубинский, В. В. Сергеевичев. – СПб.: Издательский дом «Герда», 2007. – 176 с.

3.Чубинский, А. Н. Физика древесины / А. Н. Чубинский, Г. С. Варанкина, М. А. Чубинский. – СПб.: СПбГЛТУ, 2013. – 68 с.

4.Чубинский, А. Н. Физика древесины / А. Н. Чубинский [и др.]. –

СПб.: СПбГЛТУ, 2012. – 24 с.

5

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. Древесина как объект обработки

На основе знаний, полученных при изучении дисциплины «Древесиноведение», студенту необходимо проанализировать состав и строение древесины как материала, подлежащего механической и физико-химической обработке. В результате необходимо понять, что древесина является природным высокомолекулярным соединением, имеющим сложную анатомическую, физическую и химическую структуру. Анатомически древесина представляет собой клеточное вещество с клетками различного назначения, свойств и размеров, разными у хвойных и лиственных пород древесины. Изучая состав и строение древесины, необходимо уделить внимание существенным отличиям хвойных и лиственных пород, влияющих на технологию их обработки резанием, при сушке, склеивании, создании защитно-декоративных покрытий.

Ктаким отличиям следует в первую очередь отнести:

–значительную неоднородность свойств ранней и поздней древесины;

–низкую парогазопроницаемость;

–значительное различие во влажности заболонной и ядровой (у сосны, лиственницы и кедра), заболонной и спелой древесины (у ели и пихты);

–наличие натуральных смол,

При изучении химической структуры древесины студент должен усвоить то, что она представляет собой комплекс углеводов. Высокомолекулярные соединения в древесных породах умеренной климатической зоны составляют 97…98 % массы дерева. Массовая доля полисахаридов в древесине находится в пределах 65…75 %. Входящие в состав древесины углерод, водород и кислород образуют основные компоненты клеточной оболочки: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы. Небольшую часть (0,3…1 %) составляют минеральные вещества, главным образом соли углекислоты (поташ и сода). Далее студент должен уяснить, что с физической точки зрения древесина является капиллярно-пористым телом с капиллярами различных форм и размеров. При этом следует знать, что основной её элемент – целлюлоза имеет аморфно-кристаллическое строение (по одной из наиболее распространенных теорий; параллельно существуют теории кристаллического и аморфного строения).

Далее целесообразно перейти к анализу физическо-механических свойств древесины (табл. 1), зависящих от ее состава и строения. К основным из них с точки зрения технологии деревообработки относятся: влажность древесины и ее взаимодействие с водой; плотность древесины и собственно древесного вещества, проницаемость древесины жидкостями и газами, теплопроводность и теплоемкость, электропроводность и звукоизлучающие свойства. При этом особое внимание следует уделить связям древесины с водой при изменении влажности от точки насыщения волокна до

6

нулевой, явлению контракции при поглощении древесиной воды от нуля до 6 % влажности, гистерезису десорбции.

Таблица 1

Физико-механические свойства основных пород древесины

По степени влажности древесину различают:

•мокрую, W > 100 %, длительное время находившуюся в воде;

•свежесрубленную, W = 50…100 %, сохранившую влажность растущего дерева;

•воздушно-сухую, W = 15…20 %, выдержанную на открытом воздухе;

•комнатно-сухую, W = 8…12 %, долгое время находившуюся в отапливаемом помещении;

•абсолютно сухую, W = 0, высушенную при температуре T = 100 ±2 ºС. Известна и другая классификация древесины по содержанию связан-

ной влаги:

–транспортной влажности;

–эксплуатационной влажности;

–технологической влажности;

–влажности, соответствующей содержанию химически связанной (водородными связями) влаги.

Удаление химически связанной влаги (ниже 5…6 %) требует больших энергетических затрат и может привести к разрушению клеточных стенок. Вот почему сушить древесину до влажности ниже 5…6 % нецелесообразно.

Для изготовления столярно-строительных изделий большое значение имеет плотность древесины, от которой зависит ее прочность (табл. 1).

Всвою очередь, плотность зависит от породы древесины, геоклиматических условий ее произрастания, бонитета почвы, других факторов. Студенту не-

7

обходимо знать, что плотность древесины даже одной породы может изменяться в большом диапазоне.

Степень влияния влажности и плотности древесины на технологию обработки и эксплуатацию продукции настолько велики, что пиломатериалы целесообразно перед сушкой разделять по влажности, а после сушки – по плотности.

В технологии обработки древесины используют следующие показатели плотности: плотность древесинного вещества (1530 кг/м3); плотность абсолютно сухой древесины; плотность влажной древесины; парциальная плотность древесины.

Важным свойством древесины является ее пористость, достигающая 55 % объема. Наличие пор в древесине существенным образом влияет на ее деформирование, способность сорбировать связующее и лакокрасочные материалы, а неравномерное распределение пор и их разные размеры приводят к различному по поверхности поглощению жидкостей. Затем следует проанализировать основные механические свойства, их зависимость не только от направления волокон, но и от способа производства тех или иных древесных сортиментов. Особое внимание необходимо обратить на характер зависимости между деформацией и напряжением, существенно отличающий древесину от других конструкционных материалов, в первую очередь металлов. Кроме того, следует установить связь между показателями механических свойств древесины и ее состоянием (температурой и влажностью). Известно, что входящие в состав древесины полимеры могут иметь разное релаксационное состояние в зависимости от температуры и влажности (табл. 2, 3).

Таблица 2

Агрегатные, фазовые и релаксационные состояния вещества

8

3.2. Тепло- и массоперенос в древесине

Студенту необходимо знать, что явления переноса субстанции (массы, энергии, импульса и т. п.) имеют место в различных технологиях деревообработки: сушке, пропитке, проварке, склеивании, гнутье, отделке. И здесь, как и в любой термодинамической системе, при взаимодействии тел процессы переноса теплоты и массы, приводящие к выравниванию их концентрации, имеют как молекулярный, так и молярный характер. Студенту известно, что молекулярный перенос характеризуется перемешиванием частиц путем хаотического движения молекул, а при молярном – отдельные объемы (моли) вещества перемещаются друг относительно друга. Концентрация вещества (энергии) может быть количественно определена потенциалом переноса (температурой, давлением, концентрацией). Перенос теплоты и массы происходит от большего потенциала к меньшему во всех направлениях. Наибольшая интенсивность имеет место по нормали к изопотенциальной поверхности плиты пресса, имеющей равную температуру по всей поверхности.

Для технологий деревообработки характерны нестационарные (изменяющиеся во времени) процессы тепломассопереноса. Необходимо понимать, что вследствие капиллярно-пористой структуры перенос теплоты в древесине существенно отличается от аналогичного в сплошных твердых телах. Студенту следует знать существенные качественные отличия, сформулированные на основе общих положений А. В. Лыкова.

1. Эффективная теплопроводность капиллярно-пористых тел существенно зависит от теплопроводности вещества, заполняющего поровое пространство.

9

2.Конвективным переносом теплоты в капиллярно-пористой системе

вбольшинстве случаев можно пренебречь, так как очень малые размеры пор препятствуют возникновению конвективных токов под действием температурного градиента.

3.Эффективная теплопроводность древесины зависит от ее влажности, размеров и объёма пор, а также от давления паров в них.

Как правило, эти характеристики непостоянны при гидро- и пьезотермической обработке древесины. Во влажных капиллярно-пористых телах вместе с переносом энергии в виде теплоты может иметь место перенос энергии за счет движения массы. Так например, при пропарке древесины перед гнутьем, пар под действием градиентов концентрации перемещается вглубь древесины, конденсируется во внутренних менее нагретых слоях, отдавая тепло.

Естественно, чем больше влагосодержание, тем больше коэффициент теплопроводности λ. Для определения истинного значения λ влажного тела необходимо свести массоперенос к нулю.

Студенту необходимо знать также, что и удельная теплоемкость С влажного тела отличается от удельной теплоемкости сухого капиллярнопористого вещества. Как правило, она линейно зависит от влагосодержания, но для древесины эта зависимость имеет сложный вид, так как для неё характерны различные связи с водой. Коэффициент температуропроводности, или диффузии тепла, с увеличением влагосодержания увеличивается, а затем уменьшается, т. е. имеет место экстремум, соответствующий переходу от одной формы связи влаги к другой.

Усвоив основные положения, понятия и определения, целесообразно восстановить в памяти фундаментальное математическое описание процессов тепломассопереноса (табл. 4): законы Фурье, Дарси, Фика.

10