ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

 

 

На правах рукописи

 

 

 

 

Камалова Нина Сергеевна

 

 

 

 

 

ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА

МЕХАНИЧЕСКИЕ И АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

 

 

Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния

 

 

 

 

 

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

 

 

 

 

 

 

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук,

доцент Постников В.В.

 

 

 

 

 

 

Воронеж – 2008

О Г Л А В Л Е Н И Е

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ…………………….….…………….4

 

ГЛАВА I

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ДИАМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ, СТИМУЛИРОВАННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЕМ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (Аналитический обзор)

I.1. Модифицирование свойств магнитных материалов слабыми импульсными магнитными полями…………………….…………………………..……9

1.2. Магнитопластический эффект в диамагнитных кристаллах…...….……12

1.3. Магнитная обработка полимеров…………………….……...…………....19

 

ГЛАВА II

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Методика измерения твердости образцов модифицированной

древесины……………………………………………………………...…..……33

2.2. Методика измерения адсорбции образцов модифицированной

древесины…………………………………………………………………...…..35

2.3. Техника измерения ИК-спектров образцов модифицированной

древесины………………………………………………………………….……36

2.4. Генератор импульсных магнитных полей………………………..…...….39

 

ГЛАВА III

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ С ПОЗИЦИЙ ФИЗИКИ

ПОЛИМЕРОВ

3.1. Строение и состав древесины………………………………….………….44

3.2. Надмолекулярное строение целлюлозы………………………………….48

3.3. Кристаллическая структура целлюлозы………………………………….50

3.4. Лигнин………………………………………………………………………55

3.5. Давление, возникающее в вязкотекучем лигнине в процессе уплотнения древесины………………………………………………………………….57

 

3.6. Термодинамическая модель уплотнения макромолекул целлюлозы в модифицированной древесине………………………………….…………...61

3.7. Квазикристаллическая модель уплотнения целлюлозы…………………71

 

ГЛАВА IV

ВОЗДЕЙСТВИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА МИКРОСТРУКТУРУ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

4.1. Упрочнение модифицированной древесины после обработки слабыми импульсными магнитными полями………………………………….………..83

4.2. Воздействие импульсного магнитного поля на сорбционные свойства модифицированной древесины………………………………………………..88

4.3. Исследование ИК-спектров образцов модифицированной древесины до и после воздействия импульсного магнитного поля……………………91

4.4. О возможности образования связи С-О-С между макромолекулами

целлюлозы в образцах модифицированной древесины после ИМП –

воздействия………………………………………………………………..…..100

4.5. Теоретическая оценка влияния ИМП – обработки на твердость

модифицированной древесины ………………………………...……………111

 

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ………………………....……….115

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….….117

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

П.1. Основные технологические характеристики модифицированной

древесины………………………………………………….…………………..118

П.2. Теоретическая оценка зависимости степени разрушения древесных

волокон от скорости прессования………………………………………..…..122

 

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………….……….……..126

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность темы. В последнее время интенсивно развивается направление исследований по воздействию слабых (до 1 Тл) импульсных (ИМП) и постоянных (ПМП) магнитных полей на физические свойства диамагнитных материалов, в частности, полимеров. Эти исследования показали возможность модифицирования свойств диамагнитных материалов слабыми магнитными полями. Повышенный интерес к таким исследованиям связан с тем, что обнаруженные эффекты не находят объяснения с точки зрения классической термодинамики. Действительно, энергия μ_BH (μ_B – магнетон Бора, H – напряженность магнитного поля), которую привносят магнитные поля ~ 1 Тл в решетку диамагнитного кристалла, на несколько порядков величины меньше kT (k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура) для температур, при которых выполнялся эксперимент. Из всей совокупности подобного рода магнито-индуцированных явлений наиболее изучен магнитопластический эффект (МПЭ), обнаруженный вначале на щелочно-галоидных кристаллах [1], а затем и на полимерах [2]. Воздействие слабых МП на кристаллы NaCl приводит к увеличению подвижности дислокаций, а у таких полимеров как полиметилметакрилат, полистирол, поливинилбутирал и поликарбонат после длительной обработки в слабом (0.2 Тл) постоянном магнитном поле было обнаружено изменение скорости ползучести. Воздействие слабого переменного магнитного поля приводило к уменьшению микротвердости полиэтилена и полипропилена, а слабые постоянные магнитные поля заметным образом оказывали влияние на механические свойства хлопчатобумажных волокон и тканей [3,4]. Интерпретация МПЭ опирается на развитую в спиновой химии [5,6] концепцию магнито-чувствительных спин-зависимых реакций радикальных пар, объясняющую наблюдаемое в слабых МП изменение скоростей и направлений химических реакций с участием радикалов в жидких средах. Кроме того, результаты воздействия МП на полимеры объяснялись ориентацией фрагментов макромолекул, обладающих анизотропией магнитной восприимчивости, а также вызванных магнитными полями искажением сильных нехимических взаимодействий между группами соседних макромолекул (так называемых «физических узлов»).

В этой связи представляет интерес исследование воздействия слабых МП на сложные полимерные системы, макромолекулы которых содержат радикалы, способные во внешнем МП изменять свое спиновое состояние и тем самым стимулировать протекание радикальных реакций, запрещенных по спину в исходном состоянии. При этом логично ожидать изменений микроструктуры таких материалов и связанной с этими изменениями модификации их физических свойств.

В предлагаемой работе исследовалось воздействие импульсных магнитных полей на образцы модифицированной древесины – сложного природного полимера, который, благодаря своим необычным механическим свойствам, широко применяется в промышленности в качестве заменителя целого ряда конструкционных материалов.

 

Цель и задачи исследования.

Целью работы является установление механизма влияния слабых (до 0.5 Тл) импульсных магнитных полей (ИМП) на структуру, механические и адсорбционные свойства модифицированной древесины (МД).

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

·        Исследовать воздействие слабых ИМП на механические и адсорбционные свойства образцов МД березы.

·        Установить природу влияния ИМП на надмолекулярную структуру целлюлозы образцов МД.

·        Разработать физическую модель микроструктуры древесины и теоретически оценить изменение последней в процессе модифицирования.

·       Теоретически оценить вероятность образования поперечной химической связи между макромолекулами целлюлозы в МД после воздействия ИМП.

·       Оценить возможный вклад изменения надмолекулярной структуры целлюлозы в улучшение технологических параметров МД.

 

Научная новизна.

1.       Обнаружено необратимое упрочнение модифицированной древесины березы после кратковременной (до 60 с) обработки слабым ИМП (≤ 0.5 Тл). Торцевая твердость обработанных образцов возрастает на 30 – 50%.

2.       Обнаружено уменьшение адсорбции (до 15%) воды на поперечных срезах МД березы, подвергнутых кратковременной (секунды) обработке ИМП.

3.       Установлено, что упрочнение образцов МД после ИМП – воздействия обусловлено образованием новых ковалентных связей между боковыми группами макромолекул целлюлозы.

4.       Предложена качественная теоретическая модель, позволяющая оценить изменение надмолекулярной структуры целлюлозы в результате воздействия ИМП на образцы МД.

 

Основные положения, выносимые на защиту:

 

1.       Кратковременное воздействие (секунды) слабого ИМП (≤ 0.5 Тл) приводит к необратимому возрастанию (до 50%) торцевой твердости и снижению (до 15%) адсорбции воды образцами МД.

2.       Теоретически оценена возможность образования поперечных связей между макромолекулами целлюлозы при сближении их в процессе модифицирования древесины.

3.       Воздействие ИМП приводит к изменению спинового состояния радикальных пар боковых групп макромолекул целлюлозы в образцах МД (триплет – синглетные переходы) и образованию между макромолекулами новых ковалентных связей типа C-O-C.

 

Практическая значимость.

§  В промышленности модифицированная древесина используется для изготовления из нее подшипников скольжения. Возрастание торцевой твердости обработанных ИМП образцов позволяет существенно увеличить износостойкость и срок годности таких изделий.

§  Моделирование вещества древесины сложным композиционным полимерным материалом позволяет теоретически анализировать изменения микроструктуры вещества древесины при различных способах ее обработки с точки зрения физики полимеров. Например, модельное исследование таких физических характеристик лигнина, как скорость нарастания его вязкости в процессе прессования позволит разрабатывать режимы обработки древесины для различных пород, что приведет к повышению качества модифицированной древесины.

§  Применение физики полимеров к анализу изменений микроструктуры целлюлозы в процессах обработки древесины расширит область математических оценок зависимостей этих изменений от таких параметров, как температура термообработки, степень прессования, тип пластификатора. Это позволит выбирать технологические режимы в зависимости от целей дальнейшего применения материала.

 

 

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на нижеперечисленных конференциях и семинарах: X Международной конференции «Физика диэлектриков» (С.-Петербург, СПбГТУ, 2004), Международной научно-практической конференции «Наука и образование на службе лесного комплекса» (Воронеж, ВГЛТА, 2005), межвузовской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, ВГЛТА-2005), Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва МИРЭА, 2005), IV Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic – 2005) (Москва, МИРЭА, 2005), на IV Международной  научно-технической школе-конференции «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, МИРЭА, 2006), V и VI Международных научно-технических конференциях «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic – 2006, 2007) (Москва, МИРЭА, 2006, 2007).

 

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 1 – в издании, рекомендованном ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1,7,11] – подготовка к эксперименту, аналих полученных данных, [2-5] – разработка качественной теоретической модели структуры вещества древесины, [6,8-10,12] – теоретический анализ воздействия слабых ИМП на надмолекулярную структуру модифицированной древесины, [1-12] – подготовка работ к печати.

 

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложений, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 145 страниц машинописного текста, включая 43 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 175 наименований.