Материалы
IV
Международной
научно-технической
конференции
25-28
октября
2005 г.
МОСКВА
INTERMATIC – 2
0
0 5
МИРЭА
УПРОЧНЕНИЕ
МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
СЛАБЫХ
ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
ã 2005 г. В.В. ПОСТНИКОВ, Н.С. КАМАЛОВА, М.Н. Левин*, Н.Н. МАТВЕЕВ
Воронежская
государственная лесотехническая академия
*Воронежский
государственный университет
Модифицированная
древесина (МД), характеризующаяся довольно высокими прочностными
показателями,
часто используется в промышленности как заменитель целого ряда
конструкционных
материалов. Известно [1], что вещество древесины представляет собой
природный
полимер многокомпонентного состава, содержащего в абсолютно сухом
состоянии ~
49.5% углерода, 44.2% кислорода и 6.3% водорода, т.е. те элементы, из
которых
состоят многие высокомолекулярные органические соединения. Это
обстоятельство
объясняет широкое применение для исследования физических свойств
древесины различных методик,
используемых в физике полимеров.
Основной
компонентой, составляющей половину всего вещества древесины, является
целлюлоза, легко образующая кристаллическое состояние [2]. В последнее
время
были обнаружены стимулированные слабыми импульсными (ИМП) и постоянными
(ПМП)
магнитными полями существенные изменения физико-механических свойств
ряда кристаллизующихся
полимеров (см.,
например, [3-6]). Эти работы определили
интерес к
выяснению возможности воздействия ИМП на
прочностные характеристики МД.
В
предлагаемой работе исследовано влияние слабых (до 0.5 Т) ИМП на
величину
твердости образцов модифицированной древесины.
Для
исследований использовались образцы древесины березы, полученные
методом
трехстороннего прессования, размерами 15×15×15 мм.
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. Плотность
образцов МД 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. Измерения твердости осуществлялись твердомером
Роквелла.
Воздействие
ИМП осуществлялось сериями от 150 до 6000 симметричных однополярных
импульсов
практически треугольной формы длительностью τ = 10 мкс и
частотой следования
f
= 50 Гц. Амплитуда импульсов могла варьироваться от 0.05 до 0.5 Тл. ИМП
создававлось периодическим разрядом батареи конденсаторов через
низкоиндуктивный
соленоид, и контролировалось по току заряда в цепи соленоида и по
напряжению
индукции на тестовой катушке индуктивности.
ИМП
– обработка образцов осуществлялась при комнатной
температуре. В некоторых
случаях (например, при воздействии ИМП с амплитудой 0.4 и 0.5 Тл в
течение 1-2
мин.) вследствие незначительного разогрева соленоида температура
образцов во
время экспозиции увеличивалась на 8-10 K.
Однако, контрольные измерения на
образцах, нагретых в течение 10 мин. на 10 K,
но не подвергавшихся ИМП – воздействию,
не обнаружили каких-либо изменений твердости после такой термообработки.
Во
время экспозиции образцы ориентировались в соленоиде таким образом,
чтобы
волокна древесины располагались параллельно или перпендикулярно силовым
линиям
поля. Как показали эксперименты, результат воздействия при этом
оказывался неодинаковым.
На
рис. 1 представлена зависимость относительной твердости H/H0
образцов МД от величины амплитуды B0
индукции ИМП.
Длительность обработки составляла для всех образцов 60 с (т.е. число
импульсов N =
3000), а измерения H
проводились через 48 часов после
ИМП-воздействия. Твердость исходных образцов H0
МД составляла величину 200 – 300 МПа. Как показали
предварительные
эксперименты, твердость ИМП-обработанных образцов МД менялась в течение
некоторого времени после воздействия, достигая своего максимального
значения
примерно через 5-10 часов, после чего оставалась постоянной. Каждая
точка на
рисунке получена усреднением данных не менее 7-ми образцов. Как видно из
рис.
1, существует «пороговое»
значение B0
= 0.2 Тл, ниже которого ИМП не оказывает практически никакого влияния
на
величину H
МД, а максимальное увеличение торцевой H||
образцов наблюдается после воздействия ИМП с индукцией 0.3 Тл и выше.
Интересно
отметить, что величина амплитуды B0
ИМП при воздействии,
начиная с 0.3 T
и выше, давала практически одинаковое увеличение H/H0
МД, достигающее для некоторых образцов 50%.
Рис.
1. Зависимость
относительной твердости МД березы (плотностью от 1,35 до
1,45·103
кг/м3)
от амплитуды ИМП. Длительность обработки для всех образцов
составляла 60 с (число импульсов N
= 3000). Через 48
часов после ИМП – воздействия.
Рис.
2. Зависимость
относительной твердости МД березы от времени экспозиции (числа
импульсов N).
Через 48 часов после ИМП – воздействия.
Некоторое
незначительное увеличение поперечной
H^
отмечено для тех же образцов, обработанных теми же ИМП. Заметим, что
обнаруженный эффект увеличения H
МД имеет место только в том случае, если при
обработке волокна образцов располагались параллельно направлению поля.
При
взаимной перпендикулярной ориентации волокон МД и поля во время
обработки
эффект воздействия был существенно меньшим (максимальное увеличение
торцевой H||
составляло в этом случае не более 3-4%).
Длительность
обработки ИМП также оказывала влияние на величину торцевой и поперечной
H
образцов МД. Как видно из данных рис.
2, оптимальным временем ИМП-воздействия является t
= 60 с (что соответствует числу
импульсов N
= 3000). Более длительная обработка для всех величин B0
практически не увеличивала значения твердости H||
и H^
МД.
Основным
результатом представленных экспериментальных данных является
существенное необратимое
увеличение торцевой твердости H||
(достигающее 50%)
образцов ДП, подвергнутых ИМП-воздействию.
Пластификация
и последующее трехстороннее прессование древесины приводят к весьма
значительному
разрушению сетки лигнин – углеводных связей [7], а также к
образованию
многочисленных разрывов химических связей макромолекул целлюлозы.
Подобные
разрывы с образованием радикалов, имеющих нескомпенсированные
электроны,
приводят, например, как отмечено в работе [8], к дегидратации целлюлозы
после радиационного
воздействия.
Воздействие
ИМП, по нашим представлениям, вызывает изменение спинового состояния
электронов
(переходы типа «синглет – триплет»)
разорванных связей, стимулируя
возникновение сшивок между соседними макромолекулами целлюлозы, и, как
следствие,
заметное уменьшение подвижности молекулярных цепей именно в торцевом
направлении.
Возможно
также, что воздействие ИМП способствует восстановлению сетки лигнин
–
углеводных связей, деструктурируемых при пластификации и прессовании
образцов
древесины, что также может способствовать увеличению твердости H||.
Таким
образом, воздействия слабого ИМП позволяют эффективно повышать
твердость
образцов модифицированной древесины.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Кленкова
Н.И.
Структура и реакционная способность
целлюлозы. Л.: Наука. 1976. 367 с
2.
Китайгородский
А.И., Цванкин Д.Я.
// ВМС. 1959. Т. 1.
№2. С. 269-286.
3.
Песчанская
Н.Н., Суровова В.Ю., Якушев П.Н. //
ФТТ. 1992. Т. 34.
№7. С. 2111-2117.
4.
Головин
Ю.И., Моргунов
Р.Б.,
Ликсутин С.Ю.
// ВМС (А). 2000. Т. 42. №2. С. 277-281.
5.
Левин
М.Н., Постников В.В., Матвеев Н.Н.
// ВМС (А). 2003.
Т. 45. №2. С. 217-223.
6.
Левин
М.Н., Постников В.В., Матвеев Н.Н.
// ЖФХ. 2003. Т.
77. №4. С. 675-678.
7.
Эриньш
П.П., Кулькевица И.Ф.
// Химия древесины.
1981. №5. С. 13-21.
8.
Шарпатый
В.А., Шапилов А.А., Пинтелин С.Н. //
ХФ. 2001. Т. 20.
№12. С. 19-24.