УДК 577.3
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПЛАСТИФИКАЦИЯ ЛИГНИНА В МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЕ
© В. В. Постников, Н. С. Камалова, С.
В. Кальченко
Воронежская государственная
лесотехническая академия
Известно, что модифицирование (прессование) древесины приводит к столь значительному возрастанию ее твердости, что изготовленные из нее подшипники скольжения широко используется в промышленности в качестве заменителя целого ряда конструкционных материалов [1].
Упрощенно вещество древесины можно представить в виде кристаллической целлюлозы, «растворенной» в аморфном лигнине. В целях уменьшения сопротивления древесины сжатию ее перед модифицированием обычно пропитывают химическими веществами – пластификаторами (например, растворами аммиака, или карбомидной кислоты). При этом лигнин частично деструктурируется, переходя в высокоэластическое состояние.
Для оптимального проведения процесса модифицирования пластификатор, а также температурно-влажный режим необходимо выбрать таким образом, чтобы, не разрушая макромолекул целлюлозы, обеспечить им ограниченную свободу в частично деструктурированном лигнине. Возникающее в процессе прессования давление вдоль древесных волокон можно оценить следующим образом [2]:
. (1)
Здесь k – скорость
нарастания вязкости в лигнине в процессе сжатия, a –размер кристаллической ячейки в целлюлозе, l0 – длина образца вдоль волокон целлюлозы, η0 – начальная вязкость
пластифицированного лигнина. Если изменение размеров образца в
направлении волокон представить в виде 
(где 
– относительное
уменьшение линейного размера образца вследствие его усушки), то, учитывая что время прессования 
(u –
скорость прессования), нетрудно получить следующее выражение:
.
Здесь 
определяет величину
оптимальной скорости прессования (при которой микроразрушения в образце
минимальны), а 
– соответствующего ей
оптимального давления.
Полагая, что степень разрушения структуры z прямо пропорциональна относительной
разнице давлений в направлении волокон 
(поскольку именно эта
величина отвечает за разрушение последних), то есть 
, получим зависимость z (%) от скорости прессования u при
различных упругих относительных деформациях δ:
.
(2)
Формула
(2) дает теоретическую оценку зависимости степени разрушения
структуры древесных волокон от скорости прессования.
На рисунке 1 приведены теоретические
кривые, рассчитанные по формуле (2) и экспериментальные данные из эмпирически
полученных кривых для радиального уплотнения образцов древесины березы [1].
Зависимость степени возможного разрушения волокон рассчитана для различных
значений упругой деформации δ. Обычно предполагают, что δ
составляет 3-7% от всей деформации. Из рисунка ясно, что давление 
соответствует некоему
идеальному режиму, при котором вызванное уплотнением давление вдоль волокон совпадает
с напряжением усушки в пластифицированном лигнине, а скорость прессования 
прямо пропорциональна
скорости увеличения вязкости пластифицированного лигнина. По мере приближения
скорости прессования u к 
степень разрушения волокон уменьшается.
Рис. 1. Сравнение теоретических оценочных кривых степени разрушения древесных волокон от скорости прессования при радиальном уплотнении.
В рамках этого подхода может быть получена скорость нарастания вязкости лигнина для различных пород, поскольку в приведенной выше оценке степени разрушения волокон немалую роль играет параметр
, (3)
где 
– относительное
уменьшение линейного размера образца вследствие усушки, k, l0 – соответственно скорость нарастания вязкости
лигнина в процессе уплотнения и начальные размеры уплотняемого образца в
направлении прессования. Физический смысл параметра u0 состоит в том, что
если прессование будет происходить с такой скоростью, то избыточное давление (а
значит и степень разрушения волокон) будет минимальным. Следовательно, и есть скорость
оптимального прессования. Как видно из выражения (3), она целиком и полностью
зависит от величины усушки и скорости нарастания вязкости лигнина. Эти величины
в свою очередь зависят собственно от вещества образца, то есть от породы
дерева. Поэтому скорость нарастания вязкости лигнина при уплотнении древесного
образца может быть получена из выражения (3), если u0
определить экспериментально. Также экспериментально может быть определено и p0. Тогда, как показывает расчет, можно представить
вязкость пластифицированного лигнина в виде:
, где 
.
Эти выражения позволяют анализировать
нехимические способы пластифицирования древесины, например, ультразвуковыми
импульсами (УЗИ). Если импульсы в виде 
воздействуют на
образец (здесь 
– форма УЗИ, частота ультразвука,
глубина его проникновения в образец и скорость распространения соответственно),
среднее давление, возникающее в образце при частоте следования n УЗИ в секунду, можно оценить как 
.
Тогда величину давления вдоль волокна древесины в любой момент времени можно определить интегрированием:
(4)
Известно [3], что в эластомерах, к которым по своим физическим характеристикам вполне можно отнести и лигнин, при больших значениях внешнего давления скорость высокоэластических деформаций уменьшается, в то время как скорость вязкотекучих деформаций увеличивается и достигает максимального значения. В результате вязкость лигнина после воздействия импульсным ультразвуком становится равной
.
При этом скорость нарастания (убывания) вязкости будет связана с параметрами импульса следующим образом:
.
Полученные соотношения позволяют оценить параметры УЗ импульса для оптимальной пластификации древесины ультразвуком.
Список литературы
1. Шамаев В.А. Химико-механическое
модифицирование древесины.
Воронеж: ВГЛТА. 2003, 260
с.
2. Постников В.В., Камалова Н.С. и
др. Материалы VI Междунар. НТК
«Intermatic – 2007». М: МИРЭА, 2007. Часть 1. С.
255-257.
3. Бартенев Г.М., Зеленев
Ю.В. Физика и механика полимеров. М: Высшая
школа. 1983, 391 с.
Время загрузки 0.0067059993743896 секунд