ГЛАВА
II
МЕТОДИКА
И
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
II.1.
Методика измерения твердости
образцов модифицированной древесины
В
деревообрабатывающей
промышленности основным параметром, определяющим качество
модифицированной
древесины, является ее твердость (H)
– свойство материала оказывать
сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в
поверхностном слое. Учитывая тот факт, что модифицированная древесина
используется для изготовления подшипников скольжения, заменяя
дорогостоящие
металлы, для количественного измерения твердости целесообразно
использовать те
же методы, что и для металлов. Измерение твёрдости металлов
осуществляется чаще
всего методами Бринелля, Роквелла или Виккерса. Применение того или
иного
метода обусловлено механическими свойствами металлов и
конструктивно-технологическими особенностями изделий. Преимущество
метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается
в том,
что определение значения твердости по этому методу не нуждается в
оптическом
измерении размеров отпечатка. Стандарт
ГОСТ 13338-86 устанавливает метод
определения статической твердости по Роквеллу для модифицированной
древесины.
Сущность метода состоит в определении глубины отпечатка стального
шарика при
внедрении его в образец древесины прямоугольной формы. Древесина имеет
гетерогенную структуру с крупными
выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам
(целлюлоза
и лигнин), поэтому
для
испытания твердости следует
выбирать шарик большого диаметра (5мм).
Измерения
твердости образцов в настоящей работе осуществлялись с помощью
твердомера
Роквелла (внешний вид представлен на рис. 2.1), удовлетворяющего
требованиям
ГОСТ 13338-86.
Рис.
2.1.
Внешний вид тведромера Роквелла,
используемого в работе для определения твердости образцов.
Рис. 2.2. Схема
определения
твердости модифицированной древесины по Роквеллу.
На рис.
2.2
представлена схема измерений: настройка шкалы индикатора на ноль
производилась
предварительной нагрузкой на образец, равной 1 кгс (h0); затем
нагрузка плавно увеличивалась до 25 кгс (в
течение примерно 30 с) и выдерживалась в течение ~
30 с; после
измерения индикатором
глубины
отпечатка (h)
нагрузка плавно снималась (~ 30 с), после чего
измерялась глубина восстановленного отпечатка (h1).
Погрешность измерения h и h1 не
превышала
0.002 мм. Твердость образцов H в кгс/мм2
(с погрешностью ≤ 0.1 кгс/мм2)
вычислялась по формуле:
,
где P
– нагрузка, прилагаемая к шарику твердомера (кгс); d
– диаметр шарика (5 мм); h1
– глубина восстановленного отпечатка шарика (мм).
Расчитанное
значение H
переводилось
в МПа (1 кгс/мм2
= 9.8 МПа).
Для более
точного
определения влияния ИМП на величину твердости образцов анализировалось
отношение твердости
после ИМП - воздействия к первоначальной.
II.2.
Методика измерения адсорбции
образцов модифицированной древесины
Измерение
изотерм
адсорбции проводилось классическим методом на вакуумных
пружинных весах Мак-Бэна. Метод основан на определении изменения массы
образца
– адсорбента после введения адсорбата (в нашем случае это
были пары воды) в
предварительно вакуумированную кварцевую капсулу с образцом. Давление
паров
воды измерялось ртутным манометром. Изменение массы образца
определялось по
удлинению калиброванной молибденовой спирали (навитой из проволоки
диаметром
0,02 мм), к концу которой крепится образец. Удлинение спирали
составляло
0,1мм/мг и измерялось с помощью катетометра. Погрешность ее (удлинения)
измерений не превышала 0,03 мм.
Ступенчатая дозировка паров воды осуществлялась на образец, предварительно прогретый в вакууме при температуре (325±2) К в течение трех часов. После измерения адсорбционной ветви изотермы постепенным уменьшением давления паров воды определялась десорбционная ветвь. При каждом заданном давлении образец выдерживался не менее трех часов. В процессе всего эксперимента установка находилась в воздушном термостате, где автоматически поддерживалась температура (298,7±0,1) К.
После завершения исходного адсорбционно-десорбционного цикла образцы извлекались из установки и подвергались воздействию ИМП.
Повторные адсорбционные измерения начинались не ранее, чем через сутки после воздействия ИМП. В перерывах между измерениями образцы хранились в эксикаторе.
II.3. Методика измерения ИК – спектров образцов модифицированной древесины
Из всех спектроскопических методов исследования высокополимеров наиболее эффективным в настоящее время является метод инфракрасной спектроскопии. В инфракрасной области находятся колебательные спектры поглощения молекул. Каждая молекула имеет свой специфический набор частот колебаний, зависящий от геометрии молекулы, природы колеблющихся атомов, величин межатомных расстояний, типов меж- и внутримолекулярных взаимодействий. Поэтому инфракрасный спектр отражает даже незначительные изменения в структуре молекул.
Поскольку инфракрасное излучение, испускаемое веществом, при обычных условиях очень слабо, а органические объекты (такие, например, как целлюлоза) имеют, как правило, слабую отражательную способность, большинство исследований колебательных инфракрасных спектров органических молекул проводится с помощью спектров поглощения. В основе метода пропускания лежит сравнение интенсивности светового
Рис.
2.3.
Упрощенная оптическая схема ИК-спектрометра.
потока, прошедшего через исследуемое вещество с интенсивностью источника излучения.
Принцип
работы любого
двухлучевого инфракрасного спектрометра заключается в следующем (рис.
2.3).
Непрерывное инфракрасное излучение от источника 1 с помощью сферических
зеркал
2 и 3 разделяется на два потока. Один поток проходит через кювету с
исследуемым
веществом 5 и попадает в монохроматор. Второй проходит через кювету 4,
не
содержащую вещества и направляется в специальное компенсаторное
устройство 6, с
помощью которого достигается компенсация разности световых пучков.
Действие этого
устройства синхронизовано с работой записывающего устройства в
приемнике,
которое фиксирует разность энергий световых потоков (разбаланс) в виде
кривой
зависимости пропускания излучения веществом от волнового вектора 2π/λ. В
монохроматоре излучение диспергируется
в спектр с помощью призмы. Приемником излучения в инфракрасном
спектрометре
служит обычно термопара или болометр, действие которого основано на
изменении
сопротивления при нагревании. В случае оптико-акустического приемника
анализируется изменение давления газа при нагревании.
Метод
нарушенного полного
внутреннего отражения (НПВО) широко применяется для получения спектров
«неудобных» объектов, например, таких как смолы или
образцы из древесины. В
основе метода лежит тот факт, что при переходе светового луча из
оптически
более плотной среды в менее плотную, когда угол падения на границу
раздела двух
сред равен углу полного внутреннего отражения, излучение на самом деле
проникает на некоторую глубину в оптически менее плотную среду. Это
проникающее
излучение может частично поглощаться образцом при контакте с более
плотной
средой (роль которой выполняет призма) в той точке, где происходит
отражение.
Отраженное излучение дает спектр поглощения, который похож на спектр
пропускания образца. Глубина проникновения излучения
может быть
оценена по формуле:
,
где
-
угол падения светового луча,
-длина
волны в призме, а
-
отношение показателей преломления образца к показателю
преломления призмы. Согласно этому выражению глубина проникновения
соизмерима с
длиной волны падающего излучения. При использовании этого метода
наибольшие
затруднения вызывает получение воспроизводимого оптического контакта
между
элементом внутреннего отражения (призмой) и образцом.
В настоящее время благодаря развитию экспериментальной техники наиболее широко применяемым методом получения ИК-спектров является Фурье-спектроскопия (ФС). В качестве диспергирующего элемента в ФС применяется интерферометр с фотоприемной матрицей на выходе прибора, что расширяет возможности экспериментального изучения пространственно-неоднородных объектов, таких, например, как модифицированная древесина.
Световой
поток со спектральным
составом f(l),
поданный на
вход интерферометра, на его выходе имеет интенсивность:
,
(2.3.1)
где -
разность хода лучей
в плечах интерферометра. Регистрируемый фотоприемником сигнал на выходе
Фурье-спектрометра:
,
(2.3.2)
где s(l) -
спектральная чувствительность фотоприемника. Формально формулы (2.3.1)
и
(2.3.2) определяют коэффициенты Фурье – преобразований
функций f(l) и i(l)
соответственно. Спектральное
распределение интенсивности анализируемого излучения f(l)
находится по
,
измеряемым в достаточно широком интервале изменений
путем
обратного
Фурье-преобразования, которое выполняется в спектрометре средствами
вычислительной техники. В результате получается:
(2.3.3)
Сложность
получения спектров на ФС
перекрывается тем, что с его помощью можно снимать ИК спектры
модифицированной
древесины методами пропускания при толщине образцов более сорока микрон.
Для
исследований
ИК-спектров в работе использовался Фурье-спектрометр SCIMITAR-FTS-2000.
II.4.
Генератор импульсных магнитных полей
Обработка
образцов импульсными магнитными полями (ИМП) в представляемой работе
осуществлялась с помощью генератора ИМП. Блок-схема генератора,
иллюстрирующая
принцип его работы, представлена на рис. 2.4. Устройство состоит из
формирователя импульсов электрического тока (1
на рис.2.4a)
и излучателя
(2)
магнитного поля, выполненного в виде
соленоида. Формирователь (1)
включает в себя входной диодный блок (3),
выходы которого подключены к конденсаторному накопителю (4)
электрической энергии и блоку управления (5)
ключевым устройством (6),
а выход блока управления (5)
подключен к управляющему входу ключевого
устройства (6).
Последовательно соединенные конденсаторный накопитель (4)
и ключевое устройство (6)
на выходе формирователя (1)
подключены
к излучателю (2).
Устройство
работает следующим образом. На вход формирователя подается переменное
напряжение от сети 220 В, 50 Гц. В положительный полупериод напряжения
происходит заряд емкостей и
через
диоды
и
,
соответственно, а через цепочку
,
,
- заряд емкости
.
Время заряда емкости
задается
резистором
,
величина которого выбирается так, чтобы обеспечить полный
заряд емкости в течение положительного полупериода. Транзистор
в
течение
положительного полупериода заперт прямым смещением на диоде
.
В отрицательный полупериод диод
закрыт,
что
обеспечивает открывание транзистора
базовым
током за счет
отрицательного смещения на базе p-n-p
транзистора
относительно эмиттера. Открытие транзистора приводит к разряду емкости
через
цепь открытого
транзистора
, светодиода оптического
тиристора ТО и
резистора
,
ограничивающего
ток в цепи разряда. Разряд конденсатора через
светодиод
обеспечивает световой импульс, открывающий оптический тиристор ТО.
Открытие
тиристора ТО вызывает разряд через него конденсатора
,
что создает падение напряжения на резисторе
,
которое является управляющим для включения тиристора ТР
ключевого устройства. Резистор
ограничивает
ток в
цепи управляющего электрода тиристора ТР. Конденсатор
разряжается
через
открытый тиристор на соленоид, что создает импульс магнитного поля в
излучателе. Цепь
и
подавляют
гармонические колебания в контуре, образуемом конденсаторным накопителем
и
соленоидом. С окончанием разряда
напряжение
на
тиристоре ТР падает и он закрывается. Схема возвращается в исходное
состояние
до прихода следующего положительного полупериода.
Формируемые таким источником импульсы магнитного поля имели треугольную форму с фронтами, близкими к линейным. Длительность импульсов задавалась выбором соответствующей величины накопительной емкости. Амплитуда импульсов задавалась варьируемой амплитудой входного напряжения. Требуемые напряженность магнитного поля и длительность импульсов достигались выбором параметров соленоида (диаметр, число витков, плотность намотки). Для обеспечения высокой однородности магнитного поля на большой площади использовались также плоские индукторы.
Напряженность магнитного поля в соленоиде контролировалась по току разряда, измеряемому в цепи индуктора, а также по сигналу ЭДС, индуцируемой на индикаторной катушке, помещенной в поле соленоида.
Один
из вариантов описанного генератора представлен в [175].
II.5.
Аттестация
образцов
Для
исследований использовались образцы древесины березы, полученные
методом
трехстороннего прессования в ООО «Лигнум».
Предварительная пластификация
древесины осуществлялась воздействием 25% - ного раствора аммиака при
температуре
293 K
в
течение 24 часов с последующей
сушкой при T=350 K в
течение 12 часов [164]. Плотность образцов МД после
прессования составляла величину ρ=(1.35÷1.45)·103
кг/м3,
а влажность не превышала 5%. Для определения этих параметров
использовались прецизионные весы ВЛР-200, позволяющие производить
взвешивание с
погрешностью, не превышающей 0.5 мг.
Для
исследований использовалась древесина, выдержанная после
модифицирования в
течение 2-х месяцев.
Измерения
твердости проводились на образцах, имеющих размеры
15×15×15 мм, а
для адсорбционных измерений готовились поперечные срезы размерами 15´10´2 мм3.
Для ИК – исследований была подготовлена серия из радиальных
срезов толщиной 40
мкм.
Все образцы,
использованные в работе (включая контрольные, не
подвергавшиеся ИМП – воздействию), в перерывах между
экспериментами хранились в
эксикаторе.