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 накопителеми 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.