Воронежская Государственная лесотехническая академия Государственного научного центра лесопромышленного комплекса г. Воронеж, РФ drevstal@mail.ru
Достижения и проблемы модифицированной древесины
Шамаев В. А., Воскобойников И. В., Щелоков В. М.
Модифицирование древесины малоиспользуемых мягких лиственных пород для создания полноценного заменителя ценной древесины твердых лиственных пород известно давно[1, 2].
В данной работе рассматриваются модифицирование древесины методом прессования, когда за счет уменьшения объема путем механического воздействия комплексно улучшаются прочностные свойства и износостойкость[3, 4]. Так, путем прессования деструктивным методом можно увеличить плотность и, соответственно, прочность древесины до плотности 700 - 800 кг/м3, а возможно даже до 1300 - 1400 кг/ м3 по сравнению с плотностью исходной древесины 400 - 600 кг/м3 (осина, тополь, береза, ольха). древесина прессование сушка разбухание
Прессование древесины может быть равномерным и неравномерным, когда плотность древесины изменяется по сечению заготовки. Неравномерное уплотнение применяется для получения крупногабаритных изделий, где наивысшая плотность и износостойкость требуется не по всему сечению, а в отдельных точках. Такими изделиями являются строительный брус, железнодорожные шпалы и д.р. Для получения таких изделий операции пропитки, сушки и прессования древесины объединяют как по месту так и по времени[4].
Совмещение операций пропитки, прессования и сушки, как по месту, так и по времени, обуславливает наличие различия между явлениями, происходящими в древесине в этом случае и явлениями в случае разделения операций. Рассмотрим явления, происходящие в системе древесина пропиточный агент при сушке, пропитке и прессовании учитывая, что все эти явления в данном случае тесно связаны между собой.
Сущность совмещенного способа заключается в том, что заготовку из сырой древесины с влажностью порядка 80% помещают в жидкий антисептик, в нашем случае - каменноугольное масло, нагревают его до температуры 100-115°С и сушат до влажности 15-20%, одновременно уплотняя ее путем приложения механического давления до степени сжатия 23-28%. В конце процесса заготовку охлаждают в жидкости до температуры 15-20°С, в результате чего происходит всасывание заготовкой антисептика, то есть реализуется пропитка способом горячее-холодной ванны.
При введении в древесину пропиточного агента процесс пропитки может протекать либо по капиллярному механизму, если влажность древесины ниже точки насыщения волокна, либо по диффузионному, если влажность древесины выше точки насыщения волокна. На практике же в чистом виде очень трудно осуществить пропитку только по одному из этих способов, чаще всего приходится говорить о превалирующем способе пропитки. В нашем же совмещенном способе можно сказать, что в начале процесса при наибольшей влажности древесины превалирующим является диффузионный механизм, доминанта которого в ходе процесса падает, а доминанта капиллярного механизма растет и капиллярный механизм постепенно становится основополагающим. Основная цель пропитки - обеспечить равномерное распределение пропиточного агента по длине и сечению изделия из древесины. Пропитка методом горячей ванны не дает равномерного распределения пропиточного агента внутри древесины, а в случае пропитки методом горячехолодной ванны содержание пропиточного агента практически выравнивается по всей длине [5].
Динамику процесса пропитки по времени можно описать так. Примерно 20% от всего каменноугольного масла, находящегося в древесине после ее обработки совмещенным способом, входит на протяжении стадии сушки, т.е. реализуется способ горячей ванны и примерно 80% в течение стадии остывания - холодная ванна.
Сушка в данном случае - это высокотемпературный процесс, при котором между каменноугольным маслом и погруженной в него древесиной практически отсутствует влагообмен. Сушка может происходить только при температуре каменноугольного масла выше точки кипения воды при данном давлении. Внутри древесины, вследствие кипения свободной воды, создается избыточное давление, под действием которого пар выходит в атмосферу, преодолевая адгезию древесины и слоя каменноугольного масла над материалом. Таким образом, основным видом влагопереноса здесь является молекулярное перемещение водяного пара под действием градиента избыточного давления.
Древесина, выдерживаемая длительное время в жидкости при постоянной температуре, стремится к определенной равновесной влажности, зависящей от давления и температуры жидкости. Когда древесина достигает равновесного состояния, ее температура равна температуре среды, а в полостях ее клеток содержится чистый перегретый пар. Это дает основания считать, что равновесная влажность древесины в гидрофобной жидкости равна ее равновесной влажности в чистом перегретом паре, имеющем такие же, как каменноугольное масло, давление и температуру.
Механизм сушки древесины следующий. После погружения древесного сортимента в пропиточную жидкость, имеющую температуру выше температуры кипения воды, на его поверхности температура практически сразу же доходит до точки кипения воды, а затем быстро становится равной температуре пропиточной жидкости. Температура же центральной зоны поддерживается постоянной, на уровне точки кипения воды то тех пор, пока из этой зоны не будет удалена вся свободная вода, затем температура начинает повышаться и в конце процесса приближается к температуре среды, а влажность центральной зоны - к равновесной влажности. В заключительном периоде процесса сушки роль молярного влагопереноса незначительна, а основной движущей силой процесса является влагопроводность, то есть движение под действием градиента влажности.
Стадия прессования древесины синхронна со стадией сушки, поскольку усилие, необходимое для запрессовки единицы объема древесины по мере снижения влажности древесины возрастает [6]. То есть, во избежание лишних технологических расходов стадии прессования и сушки начинаются и заканчиваются одновременно.
В древесине в ходе стадии прессования на уровне геометрического строения клеток происходят следующие изменения [3]. При сжатии древесины на 20% оболочки крупных сосудов теряют устойчивость, сжимаются. Сердцевидные лучи волнообразно изгибаются около деформированных сосудов. Мелкие сосуды практически не деформируются.
При сжатии образца до 30% крупные сосуды все больше и больше деформируются, сплющиваясь в радиальном направлении. Начинают деформироваться мелкие сосуды, особенно прилегающие к крупным. Сердцевидные лучи все больше изгибаются вокруг деформированных сосудов.
При степени сжатия около 35% наблюдается резкий скачок деформации, в результате чего происходит смятие стенок крупных и мелких сосудов, особенно в местах наибольшего скопления крупных сосудов. Начинается интенсивное смятие клеток либриформа.
После сжатия образца до степени 50% крупные сосуды сильно деформированы и напоминают узкие щели. Сердцевидные лучи сильно изогнуты и волнисты. Клетки либриформа уменьшили полости примерно наполовину, а некоторые сплющились полностью. Однако, даже при степени сжатия 50%, можно наблюдать, что часть клеток либриформа деформировалась незначительно и не происходит полного смыкания полостей сосудов.
После полной распрессовки на срезах наблюдаются крупные разрывы в местах наибольшего скопления сосудов. Микроразрушения имеются у всех сосудов и части клеток либриформа. Поэтому, с точки зрения минимизации разрушения элементов строения древесины при прессовании, целесообразно степень деформации ограничить 30%, что и реализовано в данном способе.
Таким образом, рассматривая явления, происходящие в древесине в ходе совмещенного процесса пропитки, сушки и прессования, можно заключить, что при полном совмещении вышеуказанных стадий по месту, совмещение по времени не совсем полное, то есть при единовременном начале всех трех стадий сушка и прессование заканчиваются одновременно, а пропитка продолжается еще некоторое время.
Особенность предлагаемого метода заключается в том, что после сушки-пропитки древесины в пропиточном агенте с одновременным воздействием под механического давления цилиндрические заготовки приобретают форму, близкую к прямоугольной рисунок 1.
Рисунок 1 - Изменение сечения древесины в ходе совмещенного процесса: а) в начале процесса, b) в конце процесса. Где 1 - прессформа, 2 - древесина, 3 - прессовая плита, 4 - шток гидроцилиндра
Этот факт обуславливает отличительную особенность данного способа модифицирования древесины - его малоотходность.
В нашем случае для совмещенного способа требуется заготовка из древесины мягких лиственных пород диаметром 24-30 см, в то время как классический способ получения шпал предусматривает выпиловку шпал из лесоматериалов хвойных пород диаметром более 35 см.
a) b)
c) d)
e)
Рисунок 2 - Изменение древесины по мере прессования: a) сечение 0; b) сечение 1; с) сечение Т; d) сечение 2; е) сечение 3.
Для лучшего изучения динамики деформирования было рассмотрено пять изменяющихся в ходе совмещенного процесса мгновенных сечений древесины: начальное - 0, конечное - 3 и промежуточные 1, Т, 2, причем сечение Т (требуемое) соответствует сечению железнодорожной шпалы по ГОСТ 78-89. Сечения представлены на рисунке 2.
Для сечения 0 степень прессования будет равна нулю. Для сечения 1 общая степень прессования будет составлять 10,1%, а в наивысшей точке 20%. Для сечения Т общая степень прессования будет составлять 15,1%, а в наивысшей точке 28%. Для сечения 2 общая степень прессования будет составлять 27,2%, а в наивысшей точке 40%. Для сечения 3 общая степень прессования будет составлять 49,1%, а в наивысшей точке 60%.
Распределение степени прессования по всему сечению древесины представлено на рисунке 3 для всех мгновенных сечений.
Рисунок 3 - Распределение степени прессования, где 1, Т, 2, 3 - номера мгновенных сечений
Кривые, представленные на рисунке 3, были получены следующим образом. Ширина образца древесины от центра до края включительно делилась на 7 равных зон. В каждой зоне замерялась степень прессования для каждого этапа совмещенного процесса и на базе полученных данных строились кривые. С помощью стандартного пакета программ EXCEL WINDOWS находили уравнения, аппроксимирующие полученные кривые. Адекватность найденных уравнений экспериментальным кривым определялась с помощью показателя величины средней ошибки.
Наиболее корректно описывала полученные кривые функция пятой степени:
Для сечения 1:
e1 = 1,82·10-8l5-6,26·10-6l4+7,04·10-4l3-2,80·10-2 l2+0,338l-0,380=4,3 (1)
Для сечения Т:
eТ=2,42·10-8l5-7,92·10-6l4+8,41·10-4l3-3,03·10-2l2+0,386l-0,4117 =2,8 (2)
Для сечения 2:
e2=4,004·10-8l5-1,223·10-6l4+1,171·10-4l3-3,457·10-2l2+0,313l-0,085=1,7 (3)
Для сечения 3:
e3=-5,221·10-8l5+1,78·10-6l4-2,147·10-4l3+9,906·10-2 l2-0,471l+0,066=3,6 (4)
где e1,eТ, e2, e3-----степень прессования, %, l - удаленность от края шпалы, мм.
Пользуясь уравнениями 17 можно найти степень прессования в любой точке сечения шпалы и, соответственно, при помощи общеизвестного уравнения 8 - конечную плотность древесины.
, кг/м3 (5)
где e--- степень прессования, r0, r--- плотность древесины до и после прессования соответственно, кг/м3.
Например, необходимо найти плотность древесины в точке, удаленной от края древесины на 83 мм по сечению 2, зная, что исходная плотность r0 = 450 кг/м3.
e2=4,004·10-8835-1,223·10-6834+1,171·10-4833-3,457·10-2 832+0,313l-0,085=36%
Для изделий из прессованной древесины, работающих на открытом воздухе очень важным является сохранение размеров в среде с переменной влажностью и температурой. При этом показатели формоизменения должны находиться на уровне натуральной древесины. Например, для железнодорожных шпал стабилизационного влияния маслянистого антисептика оказывается недостаточно, что дикткет необходимость введения дополнительного стабилизатора.
Необходимо учитывать, что при использовании бревен из древесины мягких лиственных пород диаметром 25-35см более половины из них имеют центральную фаутную зону, прочность которой в 2 - 2,5 раза ниже прочность периферийной зоны. В этом случае используют пропитку с торца под давлением антисептиком, содержащим упрочняющий агент и только после этого производят сушку с одновременным прессованием.
Здоровую зону древесины пропитывают маслянистым антисептиком, а фаутную зону смесью маслянистого антисептика и упрочняющего раствора содержащего растворитель - керосин или уайт-спирит и упрочняющее вещество выбранное из группы включающей: отходы производства каучука - кубовые остатки ректификации бутадиена, кубовые остатки ректификации толуола, фенолоспирты, причем количество упрочняющего раствора определяют из формулы 6:
, (6)
где - количество упрочняющего раствора, ,
- твердость здоровой зоны, /,
- твердость фаутной зоны, /,
- концентрация упрочняющего раствора в фаутной зоне, ,
- объем фаутной зоны, ,
- коэффициент, учитывающий уменьшение диаметра фаутной зоны от комлевой части бревна к вершинной, .
Кроме того в качестве упрочняющего раствора возможно использование форконденсата карбамидоформальдегидного олигомера (КФК).
Рисунок 4 - Прибор для определения соотношения величины твердости здоровой зоны к твердости фаутной зоны
Рисунке 5 - Пропиточное устройство для раздельной пропитки фаутной и здоровой древесины
На рисунке 4 показан прибор для определения соотношение твердости здоровой зоны к твердости фаутной зоны , а на рисунке 5 пропиточное устройство для раздельной пропитки фаутной и здоровой древесины.