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.