Гидротермическая обработка и консервирование древесины. Лабораторный практикум

сти материала повышается, а скорость сушки уменьшается. Прямолинейный участок переходит в кривую, асимптотически приближающуюся к равновесному влагосодержанию. Темпера- тура центра образца повышается несколько медленнее. В мате- риале возникает температурный градиент, который постепенно уменьшается и по достижении равновесного влагосодержания становится нулевым. Этот период называют периодом падаю- щей скорости. Влагосодержание, соответствующее переходу от периода постоянной скорости к периоду падающей скорости сушки, называется критическим (точка К). Необходимо отме- тить, что в период постоянной скорости из материала удаляется влага свободного состояния, а в период падающей скорости – связанная.

Влажная древесина является капиллярно-пористым кол- лоидным телом и принадлежит к классу связнодисперсных сис- тем, в которых частицы дисперсной массы образуют более или менее жесткие пространственные структуры-сетки, или карка- сы. Эти системы называют гелями.

Все влажные материалы можно разделить на три вида:

1.Коллоидные тела (эластичные гели). При удалении влаги эти тела значительно изменяют свои размеры, но сохра- няют эластичные свойства.

2.Каппилярно-пористые тела (хрупкие гели). При уда- лении влаги эти тела почти не сжимаются, становятся хрупкими

имогут быть превращены в порошок.

3.Каппилярно-пористые коллоидные тела. Обладают свойствами двух предыдущих видов. Стенки их капилляров эла- стичны и при поглощении жидкости набухают.

Древесина состоит из растительных клеток удлиненной формы – волокон. Полости клеток со сравнительно крупными

поперечными размерами ((10...100) ×10−6 м), соединены между собой порами и образуют в древесине капиллярную систему. Древесное вещество является ограниченно набухающим. По-

- 41 -

этому содержание в древесине связанной воды, то есть влаго- содержание собственно клеточных стенок, не может превышать некоторого максимума, который называется пределом насы-

щенности клеточных стенок WП.Н. Для большинства пород древесины WП.Н. = 30%. Это значение получено эксперимен- тально и приемлемо для расчетов. Данная величина соответст- вует переходу от удаления свободной влаги к связанной в про- цессе сушки. Максимальное содержание свободной влаги, за-

висящее от объема полостей клеток и межклеточного простран- ства, колеблется от 60 до 250%.

Уменьшение размеров древесных материалов при сниже- нии ее влажности называется усушкой, обратный этому процесс

– разбуханием. Данные явления имеют место главным образом

вобласти гигроскопической влажности. Изменение содержания

вдревесине свободной воды не вызывает изменения ее разме- ров.

Влияние на усушку структурного направления определя- ется строением древесины. Наибольшая усушка наблюдается в тангенциальном направлении, в радиальном она в 1,5–2 раза меньше. Вдоль волокон усушка ничтожно мала и обычно не принимается во внимание. Усушку, которую имеют образцы

при высыхании от WП.Н. до абсолютно сухого состояния, назы-

вают максимальной Ymax.

Величина текущей усушки определяется по выражению

где k y - коэффициент усушки. Коэффициент усушки зависит

от породы древесины и базисной плотности и рассчитывается по формуле

Базисная плотность ρБ характеризует массу сухого дре-

весного вещества в единице объема сырой древесины(табл.4.1).

- 42 -

Таблица 4.1

Средняя базисная плотность древесины важнейших пород

Для большинства пород полную объемную, линейные тангенциальную и радиальную усушки можно определить по

Зная природу древесины, по приведенным формулам и дан- ным табл. 4.1 легко рассчитать величину усушки. Обычно влага в материале в процессе сушки распределена неравномерно, процесс усложняется внутренними напряжениями. В этих слу- чаях изменение размеров может начаться при средней его влажности выше 30%, величина этого изменения может отли- чаться от величины чисто усушки. Такое изменение размеров называют усадкой.

Под скоростью сушки понимают изменение влагосодер- жания в единицу времени dW / dτ. Она численно равна танген- су угла наклона касательной к кривой сушки: W=f (τ). Методом графического дифференцирования кривой сушки получают зна- чение скорости сушки dW / dτ для разных значений влагосо- держания, затем строится график dW / dτ = f(W), который на- зывают кривой скорости сушки. Материалы, различные по ха-

рактеру связи влаги, дают разную форму кривой скорости суш-

ки (рис. 4.3, 4.4).

В начале процесса сушки (стадия прогрева материала)

- 43 -

скорость сушки быстро увеличивается, достигая постоянного значения N=const (период постоянной скорости). Начиная с критической точки скорость сушки уменьшается по различным законам и при достижении равновесного влагосодержания ста- новится равной нулю (период падающей скорости). На кривых скорости сушки первое критическое влагосодержание и равно- весное влагосодержание определяются более точно.

Первая критическая точка определяется как точка пересе- чения прямой, параллельной оси абсцисс, с продолжением кри- вой скорости сушки. Равновесное влагосодержание определяет- ся по величине отрезка, отсекаемого продолжением кривой ско- рости сушки от оси абсцисс.

Все материалы можно отнести к следующим шести типам кривых скорости сушки в периоде падающей скорости (рис. 4.3, 4.4). Простейший случай – кривая имеет вид прямой (кривая типа 1). Такие кривые характерны для тонких волокни- стых материалов: бумага, картон, ДВП. Кривая типа 2 обращена выпуклостью к оси ординат. Она наблюдается при сушке тка- ней, кожи, макаронного теста (коллоидные материалы). Кривые

Рис. 4.3. Типичные кривые скорости сушки

- 44 -

типа 3 наблюдаются при сушке пористых керамических мате- риалов.

Более сложные по внутренней структуре материалы (гли- на, ломти хлеба и др.) дают более сложные по форме кривые скорости сушки (рис. 4.4). Кривая может вначале иметь вид прямой, а затем переходить в кривую, обращенную к оси абс- цисс (тип 4). Такие кривые характерны для капиллярно- пористых материалов. Иногда вначале кривая обращена выпук- лостью к оси абсцисс, а затем переходит в кривую, обращенную выпуклостью к оси ординат (кривая типа 5). И, наконец, самый редкий тип кривых – кривая типа 6.

На приведенных кривых имеется вторая критическая точка в виде точки перегиба, или точки перехода прямой в кривую. Влагосодержание, соответствующее второй критической точке,

называется вторым критическим влагосодержанием.

Первая критическая точка на кривой скорости сушки кол- лоидных тел может проявиться в тот момент, когда влагосодер- жание на поверхности материала становится равным гигроско- пическому влагосодержанию. Эта точка (кривая типа 2) свойст-

Рис. 4.4. Сложные кривые скорости сушки

- 45 -

венна материалам с большим содержанием осмотической влаги, например желатину, однако у многих коллоидных материалов вообще отсутствует период постоянной скорости.

Механизм сушки капиллярных материалов определяется режимом сушки и капиллярной структурой. Кривые скорости сушки таких тел имеют две ярко выраженные критические точ- ки (кривые типа 4). Наличие двух точек объясняется особым со- стоянием капиллярной влаги. По мере сушки подвод влаги к по- верхности замедляется, в какой-то момент влагосодержание по- верхностного слоя начинает падать. Капиллярное давление рез- ко повышается, и скорость сушки начинает убывать. Этот мо- мент отмечается первой критической точкой. Начиная с этого момента подвод влаги к поверхности резко падает, а температу- ра увеличивается. Когда влагосодержание поверхности капил- лярно-пористого тела достигает значения, соответствующего второй критической точке, капиллярное давление становится бесконечно большим, перемещение воды в поверхностном слое прекращается, и зона испарения начинает углубляться внутрь.

При сушке коллоидных капиллярно-пористых тел первая критическая точка соответствует моменту, когда поверхность образца достигает гигроскопического влагосодержания (анало- гично коллоидным телам). Вторая критическая точка появляется в момент замедления подвода влаги к поверхности (аналогично капиллярно-пористым телам).

Кривые скорости сушки дают качественную картину про- текания процесса, при этом необходимым условием является наличие малого градиента влагосодержания внутри тела. Форма этих кривых объясняется характером связи влаги с материалом.

Порядок выполнения работы

1. Включить сушильный шкаф и довести температуру до

150 0С.

- 46 -

7.Что называют гелем?

8.Что такое усушка, усадка и разбухание?

9.В пределах каких значений влагосодержания наблюда- ется усушка?

10.Что такое базисная плотность?

11.Каковы причины усадки?

12.Как из графика определить равновесную влажность?

13.К какому типу можно отнести кривую скорости сушки древесины? Каковы отличия и в чем их причины?

Лабораторная работа 5

Пропитка древесины под действием избыточного давления

Цель работы: углубление и закрепление теоретических знаний по разделу «Консервирование древесины»; освоение на конкретном примере модели промышленных пропиточных ус- тановок, методики постановки физического эксперимента; озна- комление с методикой и получение практических навыков под- готовки образцов и отбора проб; освоение одного из возможных вариантов оценки качества полученной продукции; освоение процессов пропитки и выбор оптимального варианта.

Основные положения

Под пропиткой понимают процессы введения в древесину веществ, которые изменяют ее свойства. Процессы пропитки можно рассматривать как совокупность следующих физических явлений:

- движение жидкости в древесине под действием капил- лярного давления;

- 48 -

- движение жидкости под действием избыточного давле-

ния;

- диффузионное перемещение молекул или ионов пропи- тывающих веществ в древесине по полостям клеток, заполнен- ным водой.

Производственные процессы пропитки протекают обычно в условиях совместного действия всех указанных явлений, но относительная эффективность того или иного из них может быть различной при разных способах пропитки.

Проницаемость как хвойных, так и лиственных пород оп- ределяется их капиллярной структурой и существенно больше вдоль волокон, чем поперек, а проницаемость ядра древесины меньше проницаемости заболони. По сравнительной проницае- мости жидкостями древесина различных пород может быть ус- ловно разделена на три группы: легкопропитываемая, умеренно пропитываемая и труднопропитываемая. К первой группе отно- сится древесина рассеянно-сосудистых пород (березы, бука), а также заболони сосны; к труднопропитываемой – древесина ели, лиственницы, пихты, ядровая древесина сосны, дуба и ясеня. Древесина других пород занимает промежуточное положение и относится к умеренно пропитываемой.

Пропитываемость может быть оценена по коэффициенту проводимости К, кг/(м × с ×Па), который характеризует массу жидкости, проходящей в единицу времени через древесный об- разец площадью 1 м при градиенте давления 1 Па. Он зависит от породы и местоположения древесины в стволе, температурно- влажностного состояния, направления потока жидкости относи- тельно волокон и свойств пропитывающей жидкости. Числен- ные значения этого коэффициента устанавливаются экспери- ментально.

Так, для заболонной древесины сосны (поперек волокон)

- 49 -

где W - влажность древесины, %; С – концентрация раствора, %; Рж - давление жидкости, мПа.

Другим показателем является удельная массоемкость, ха- рактеризующая древесину как объект пропитки. Численно она равна изменению массы пропитывающей жидкости к единице объема древесины при изменении давления на единицу и изме- ряется в кг/(м3 ×Па). Удельная массоемкость зависит от тех же факторов, что и К и может быть определена по эмпирической формуле

справедливы в диапазоне влажности 8-50%, при температуре раствора до 60 0С, его концентрации до 15% и давлении 0,1-0,5 мПа.

Для неограниченной пластины время пропитки может

где Н - толщина пластины, м; z - критерий пропитки; P - среднее

давление в пропитанной зоне. P приближенно может быть оп- ределено как

где Рк = 0,03 мПа - капиллярное противодавление для забо-

лонной части сосны; Рв - давление защемленного внутри дре- весины воздуха, мПа. Для неограниченной пластины

- 50 -