УДК 544.57.674.81
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОЙ ПРЕСОВАННОЙ
ДРЕВЕСИНЫ
© 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].
В целях уменьшения сопротивления древесины сжатию ее перед модифицированием обычно пропитывают химическими веществами – пластификаторами (например, растворами аммиака, или карбомидной кислоты). При этом аморфная часть вещества древесины - лигнин частично деструктурируется, переходя в вязкотекучее 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. Параметром, определяющим качество модифицированной древесины, в технологии деревообработки принято считать степень разрушения волокон z (%). Логично предположить, что степень разрушения структуры волокон прямо пропорциональна относительному превышению давления при прессовании некоего оптимального давления p0, при котором волокна не разрушаются, поскольку именно это давление идет на разрушение последних. Тогда степень разрушения структуры волокон можно оценить из выражения[2]:
(1)
Ранее была получена при таком подходе зависимость степени разрушения волокон z (%) от скорости прессования u при различных упругих относительных деформациях δ:
. (2)
Здесь 
определяет величину
оптимальной скорости прессования, при которой степень разрушения волокон будет
минимальной, 
– 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.
На рисунке 1 приведены теоретические кривые,
рассчитанные по формуле (1) 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. По мере приближения скорости прессования u к 
степень разрушения волокон уменьшается. Экспериментальные
данные согласно рисунку хорошо согласуются с теоретическими зависимостями
рассчитанными при 
. Отсюда легко оценить 
для любого значения u(
например для u=60 мм/мин, 
).
Рис. 1. Сравнение теоретических оценочных кривых
степени разрушения древесных волокон от скорости прессования при радиальном
уплотнении.
В работе [3] получено оценочное выражение для давления при прессовании p0, не вызывающего разрушение волокон:
, (3)
(где a – размер кристаллической ячейки в целлюлозе, η0 – начальная вязкость пластифицированного лигнина), из которого можно получить начальную вязкость лигнина и скорость ее нарастания при измерении u0:
, 
. (4)
Из соотношений (3)
следует, что при знании усушки древесины (
для березы в среднем согласно современным исследованиям [1])
можно получить значения параметров, характеризующих необходимое деструктурирование
лигнина для получения уплотненной древесины. Этот результат особенно важен,
поскольку позволит определить параметры физического воздействия на лигнин при
осуществлении пластификации нехимическими
способами. Например, если обрабатывать образцы древесины ультразвуковым полем в
виде
(5)
(здесь 
– амплитуда, частота ультразвука,
глубина его проникновения в образец и скорость распространения соответственно),
среднее давление, возникающее в образце за период, можно оценить как 
. Известно [4], что в эластомерах, к которым по своим физическим
характеристикам 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
(6).
Здесь 
- величина обратная давлению и физически определяющая
нарастание вязкости лигнина при изменении давления. При этом скорости
нарастания (убывания) вязкости будет связана с параметрами УЗ следующим образом:
(7).
Полученные соотношения позволяют получить
зависимость, произведения параметров ультразвукового поля (
), неободимого для оптимальной пластификации древесины от физических характеристик
наполнителя сложных полимерных композитов, имеющих волокнистую составляющую и
полученных в результате прессования (). Например, при обработке березы, как показано выше, при
сопоставлении экспериментальных и теоретических расчетов выяснилось, что
значение оптимальной скорости при прессовании будет . Технологии обработки ультразвуком позволяют обрабатывать
образцы размером 
, поскольку для таких пород усушка составляет в среднем 5%,
то в зависимости от размеров образца в направлении прессования можно получить из
выражения (6).
(8)
Если учесть, что связана с
надмолекулярной структурой наполнителя, то эту константу можно получить, исходя
из максимального давления, которое может выдержать композит до начала
нежелательной деструкции волокон.
Таким образом, если известны данные о степени разрушения волокон композита, в зависимости от скорости его прессования, максимальное давление при котором можно его прессовать, данные о средней усушке, в зависимости от размера образца можно выработать режим ультразвуковой обработки, учитывающий особенности материала. В рамках подобного подхода можно было бы использовать опыт прессования композитов, пластифицированных химическими веществами, при разработке оптимальных режимов ультразвуковой пластификации.
Библиографический список.
1. Шамаев В. А. Химико-механическое модифицирование
древесины. Воронеж: ВГЛТА, 2003. 260 с.
2. Камалова Н. С. Влияние слабых
магнитных полей на механические и адсорбционные свойства модифицированной
древесины: Дис. канд. ф.м. наук. – ВГТУ – Воронеж,
2008. 145 с.
3. Постников В.В., Камалова Н.С. и др. // Материалы VI Междунар. НТК «Intermatic – 2007». М: МИРЭА, 2007. Часть 1. С.
255-257.
4. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. М:
Высшая школа, 1983. 391 с.