Материал: Химия, физика и механика материалов. Рудаков О.Б., Перцев В.Т
Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021
Продолжение табл. 3
Пчелиный воск
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Сосновая |
29,88 |
17,04 |
0,48 |
6,13 |
35,78 |
14,20 |
|
|
|
|
|
|
|
Березовая |
32,15 |
12,07 |
0,39 |
5,03 |
37,11 |
12,78 |
|
|
|
|
|
|
|
Дубовая |
29,93 |
0,51 |
0,94 |
1,38 |
32,05 |
5,12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Смола |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сосновая |
43,95 |
0,41 |
0,51 |
0,91 |
44,89 |
2,10 |
|
|
|
|
|
|
|
Березовая |
41,82 |
6,01 |
0,0009 |
0,17 |
41,91 |
0,41 |
|
|
|
|
|
|
|
Дубовая |
48,06 |
2,04 |
0,068 |
0,69 |
47,79 |
1,51 |
|
|
|
|
|
|
|
При этом отмечено уменьшение полярности древесины при обработке модификаторами в следующем порядке: углеводород парафинового ряда – пчелиный воск и смола соответственно. Это хорошо объясняется возможно-
стью смолы как химического соединения к ориентации своих полярных гид-
роксильных групп относительно гидроксильных групп целлюлозной составля-
ющей древесины (за счет свободно сочлененного характера основной цепи и возможности вращения сегментов относительно цилиндрической симметрии Ϭ
– связи). Эта особенность приводит к блокированию полярных центров поверх-
ности древесины, что находит подтверждение в уровне смачивания тестовыми жидкостями и величинах энергетических характеристик.
В таблице 4 сведены физические и термодинамические характеристики исследуемых материалов.
|
Показатели древесных образцов до и после модифицирования |
Таблица 4 |
||||
|
|
|||||
Образец |
Содержание |
ρ, кг/м3 |
|
Содержание |
Объемное |
Свободная |
|
пор, % |
|
|
модификатора, |
набухание, |
энергия |
|
|
|
|
% |
% |
адгезии* |
|
|
|
|
|
|
(), |
|
|
|
|
|
|
мДж/м2 |
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
6 |
|
|
|
Контроль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Березовый |
57,0 |
630 |
|
- |
- |
108,3 |
Сосновый |
65,2 |
510 |
|
- |
- |
98,2 |
Дубовый |
53,5 |
700 |
|
- |
- |
100,1 |
35
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение табл. 4 |
|
1 |
2 |
|
3 |
|
4 |
5 |
|
6 |
|
|
Углеводород парафинового ряда |
|
|
59,7 |
|||
Березовый |
24,3 |
|
950 |
|
61,1 |
-9,3 |
|
67,2 |
Сосновый |
36,3 |
|
710 |
|
49,2 |
-4,1 |
|
74,3 |
Дубовый |
45,2 |
|
760 |
|
19,3 |
-0,8 |
|
82,7 |
|
|
|
Пчелиный воск |
|
|
|
69,1 |
|
Березовый |
20,1 |
|
970 |
|
66,2 |
-0,9 |
|
74,0 |
Сосновый |
34,0 |
|
750 |
|
45,8 |
-1,0 |
|
83,2 |
Дубовый |
43,2 |
|
820 |
|
23,2 |
-0,5 |
|
88,4 |
|
|
|
Смола |
|
|
|
126,3 |
|
Березовый |
34,7 |
|
830 |
|
40,2 |
1,4 |
|
119,7 |
Сосновый |
45,8 |
|
670 |
|
29,3 |
3,3 |
|
125,3 |
Дубовый |
47,5 |
|
740 |
|
16,4 |
3,7 |
|
135,2 |
Совмещение опытных модификаторов с исследуемыми породами древе-
сины происходит в соответствии с особенностями их анатомического строения и коррелирует с расчетными величинами свободной энергии адгезии между модификатором и древесиной (табл. 4). Показатель объемного набухания дре-
весины при совмещении с модификатором для парафина и воска имеет отрица-
тельную величину, что вероятно связано с удалением адсорбционной влаги из клеточной структуры, ответственной за изменения геометрических размеров.
Удаление связанной вода происходит на этапе высокотемпературной пропитки в массе модификатора. При последующем остывании расплавленных модифи-
каторов вхождение молекул парафина и воска в структуре древесины не дости-
гает клеточного уровня, что проявляется в отрицательном характере показателя объемного набухания. Для парафина это выражено более заметно, если сравни-
вать показатель набухания, который для данного модификатора в 3-9 раз выше по абсолютному значению в зависимости от породы. В случае ПФС отмечена противоположная тенденция, а именно положительное набухание, что связано с присутствием в микрокапиллярах клеточной стенки адсорбционной влаги и мо-
лекул смолы [3]. Так как совмещение пентафталевой смолы с древесиной про-
текало в более мягких условиях, исключающих вскипание и удаление влаги, то содержание смолы в модифицированных образцах значительно меньше.
Важным показателем древеснополимерного композита является его устойчивость к действию переменно-влажностных условий эксплуатации. На рис. 2-5 представлены результаты исследования водопоглощения и разбухания полученных композитов во времени.
36
Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021
Рис. 2. Зависимость водопоглощения (а) и разбухания (б) от времени для модифицированной парафином древесины: 1 – сосны, 2 – березы, 3 – дуба
Рис. 3. Зависимость водопоглощения (а) и разбухания (б) от времени для модифицированной воском древесины: 1 – сосны, 2 – березы, 3 – дуба
Рис. 4. Зависимость водопоглощения (а) и разбухания (б) от времени для модифицированной ПФС древесины: 1 – сосны, 2 – березы, 3 – дуба
37
Рис. 5. Зависимость водопоглощения (а) и разбухания (б) от времени для немодифицированной древесины: 1 – сосны, 2 – березы, 3 – дуба
Можно отметить, что для полученных зависимостей (рис. 2-5) характерно присутствие начального инкубационного периода, когда изменения показателей водопоглощения и разбухания происходит с низкой скоростью в течении пер-
вых 2-3 часов. Затем наблюдается существенный подъем и устойчивый рост данных показателей. Причем в исследованном временном интервале для всех исследованных модификаторов наблюдается снижение водопоглощения и раз-
бухания, величина которых в 5-10 раз меньше, чем для исходной немодифици-
рованной древесины в зависимости от породы древесины и вида модификатора.
Для березы отмеченная тенденция представлена на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость водопоглощения (а) и разбухания (б) от времени для исходной (1) и модифицированной: 2 – ПФС, 3 – парафином, 4 – воском древесины березы
38
Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021
На рис. 6 кривая 1 для исходной березы наглядно демонстрирует высокие показатели водопоглощения (а) и разбухания (б), которые значительно снижа-
ются у модифицированных ПФС, парафином и воском модифицированных об-
разцов. При этом наиболее высокие гидрофобные показатели наблюдаются у образцов, модифицированных воском. Для данного модификатора достигнута максимальная защита от действия воды и получены более высокие показатели прочности при сжатии вдоль волокон, что согласуется с максимальным запол-
нением пор и повышенной плотностью модифицированных образцов (табл. 3).
Конечные сравнительные кинетические и термодинамические показатели модифицированных образцов древесины приведены в табл. 5.
Таблица 5
Водостойкость, кинетические и термодинамические показатели модифицированных образцов
|
|
|
|
Прочность при сжатии |
Свободная энергия |
Образец |
W, % |
hv , % |
|
вдоль волокон* (σсдв), МПа |
адгезии**, мДж/м2 |
|
|
|
|
Контроль |
|
Березовый |
100,0 |
18,0 |
|
56,4 |
113,4 |
Сосновый |
90,0 |
10,2 |
|
48,4 |
99,1 |
Дубовый |
60,3 |
4,2 |
|
54,0 |
99,7 |
|
Углеводород парафинового ряда |
63,8 |
|||
Березовый |
7,1 |
2,5 |
|
70,8 |
68,6 |
Сосновый |
9,7 |
4,6 |
|
57,7 |
73,7 |
Дубовый |
6,5 |
1,8 |
|
60,0 |
83,5 |
|
|
Пчелиный воск |
58,4 |
||
Березовый |
5,9 |
2,1 |
|
87,4 |
73,0 |
Сосновый |
6,7 |
2,6 |
|
59,8 |
82,8 |
Дубовый |
5,2 |
1,5 |
|
65,8 |
87,7 |
|
|
Смола |
|
125,9 |
|
Березовый |
18,3 |
5,3 |
|
81,8 |
121,8 |
Сосновый |
23,8 |
7,6 |
|
56,9 |
124,7 |
Дубовый |
20,0 |
3,5 |
|
63,9 |
134,8 |
*при влажности образцов древесины 7-8 %; **для индивидуальных компонентов свободная энергия когезии; водопоглощение через 24 ч (W), %; объемное разбухание через 24 ч (hv). %
Анализ результатов, представленных в табл. 5, позволяет отметить сле-
дующее. Для контрольной, немодифицированной древесины наблюдается четко выраженный закономерный характер между термодинамической величиной ко-
гезии исследуемых пород и ее физико-механическими свойствами. Снижение показателей водопоглощения, разбухания и прочности симбатно с величиной
39