ПРИЛОЖЕНИЯ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

 

П1. Основные технологические характеристики модифицированной древесины

Учитывая тот факт, что модифицированная древесина используется для изготовления подшипников скольжения, заменяя дорогостоящие металлы, одной из наиболее важных ее характеристик является прочность. Связь между плотностью ρ и прочностью σ древесины для всех древесных пород выражается уравнением: , где a и b- эмпирически полученные константы [161]. Поэтому одним из способов увеличения прочности древесины является ее уплотнение (модификация). При дальнейших исследованиях выяснилось, что предел прочности древесины зависит от плотности более сложным образом. Это связано с ростом микроразрушений в древесине с увеличением плотности [147]. Именно попытка избежать микроразрушений волокон и определяет технологические особенности процесса предварительной пластификации древесины. В целях уменьшения сопротивления вещества древесины сжатию ее пропитывают химическими веществами (пластификаторами).

Большое влияние на сопротивление древесины сжатию оказывает также температура. Наименьшее значение этого сопротивления наблюдается при температуре 90-100^оС при влажности W=25-30%. При соблюдении этих эмпирически подобранных условий древесина, будучи деформирована в состоянии значительной эластичности, и затем высушена и охлаждена в таком виде, как бы застывает в новой форме, приобретая при этом физико-механические свойства более прочной натуральной древесины [161].

Однако, разрушения волокон в процессе уплотнения неизбежны даже при соблюдении всех особенностей и выработки различных режимов пластификации. В этой связи актуальными являются исследования количественных зависимостей деформации разрушения образцов древесины

 

 

Рис. П.1. Зависимость степени деформации разрушения Z(%) структуры древесины от степени прессования ε (%): 1 - в радиальном направлении,

2-в тангенциальном направлении, 3- вдоль волокон.

 

 

Рис. П.2 Зависимость степени деформации разрушения структуры древесины от температуры: 1 - в радиальном направлении, 2-в тангенциальном, 3- вдоль волокон.

 

 

 

 

 

 

Рис. П.3 Зависимость степени деформации разрушения структуры древесины от скорости прессования: 1 - вдоль волокон, 2 - в тангенциальном,

3- в радиальном направлении.

 

Рис. П.4. Сравнение теоретических оценочных кривых степени разрушения древесных волокон от скорости прессования при радиальном уплотнении.

 от таких технологических параметров как степень прессования, температура и скорость прессования.

Количественная оценка разрушения структуры древесины в результате сжатия предусматривает сравнение состояния образцов до и после сжатия при одинаковых технологических параметрах (плотности, влажности, температуре и проч.). Критерием оценки берется статическая твердость в различных направлениях образца. Степень нарушения структуры в радиальном (R), тангенциальном (T) или направлении вдоль волокон (A) определяется, как известно [147] соотношением:

 .                                    (П.1.1)

Здесь ,- статическая твердость в выбранном направлении (радиальном, тангенциальном, вдоль волокон соответственно).

На рисунках П.1 и П.2 приводятся зависимости деформации разрушения структуры образцов древесины от степени прессования и температуры.

Как следует из данных рис. П.2, наименьшая деформация разрушения приходится на температуры порядка 100÷110^оС.

Скорость же прессования (рис. П.3), очевидно, напрямую связана с давлением внутри образца и, судя по зависимостям, наиболее существенна для радиального (кривая 3) и тангенциального (кривая 2) направлений. Для получения минимальной деформации разрушения следует максимально ограничить скорость сжатия, что позволит создать в древесине стационарный режим и рассматривать процесс прессования как равновесный.

Другими словами, количественная оценка деформации разрушения определяется по твердости древесины и зависит от следующих факторов:

а) степени прессования, б) скорости прессования, в) температуры,

г) влажности, д) типа пластификатора, е) количества циклов сжатия.

Поскольку вещество древесины состоит из высокомолекулярных соединений (полимеров), целесообразно использовать подходы физики полимеров к оценкам изменений надмолекулярной структуры древесины, возникающих в результате ее обработки.

Как было рассмотрено выше, древесное волокно представляет собой кристаллические образования макромолекул целлюлозы, перемежающиеся некристаллическими областями. Для оптимального проведения процесса модифицирования пластификатор и температурно-влажный режим необходимо выбрать таким образом, чтобы не деструктурировать макромолекулы целлюлозы, обеспечив им ограниченную свободу в частично деструктурированном лигнине.

 

П.2. Теоретическая оценка зависимости степени разрушения древесных волокон от скорости прессования.

 

В связи с вышесказанным, будем учитывать некоторые особенности оптимального процесса модифицирования древесных образцов:

·        при малых скоростях прессования процесс можно описывать последовательностью равновесных состояний;

·        время прессования значительно превосходит времена возможных структурных превращений в древесине;

·        давление внутри прессуемого образца не превышает некоего предела, связанного с разрушением волокон древесины;

·        изменение температуры на каждом этапе можно считать незначительным;

·        пластификатор выбирается таким образом, чтобы, воздействуя на лигнин, не разрушать древесные волокна.

В главе III частично деструктурированный пластификатором лигнин моделировался эластомером в вязкотекучем состоянии. При таком подходе можно оценить давление в направлении макромолекул целлюлозы (а, следовательно, и древесных волокон). Выяснилось, что оно зависит от  скорости прессования следующим образом (см. соотношение (3.5.4)):

 .                               (П.2.1)

Если согласно технологическому режиму изменение размеров образца в направлении волокон  (где -относительное уменьшение линейного размера образца вследствие его усушки), то, учитывая, что время фазы , а также, введя обозначения и , нетрудно получить следующее выражение:

.

Логично предположить, что степень разрушения структуры прямо пропорциональна относительной разнице давлений в направлении волокон , поскольку именно это давление идет на разрушение последних.

Тогда, оценивая степень нарушения структуры волокон из выражения , получим зависимость z (%) от скорости прессования u при различных упругих относительных деформациях δ:

          .                      (П.2.2)

Формула (П.2.2) дает теоретическую оценку зависимости степени разрушения структуры древесных волокон от скорости прессования.

На рисунке П.4 (страница 120) приведены теоретические кривые, расчитанные по выражению (П.2.2) и эксперементальные данные из эмпирически полученных кривых для радиального уплотнения образцов древесины березы [147,172] (см. также рис. П.3). Зависимость степени возможного разрушения волокон рассчитана для различных значений δ. Обычно предполагают, что δ составляет 3-7% от всей деформации. Из рисунка П.4 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.

В рамках этого подхода может быть сформирована методика исследования скорости изменения вязкости лигнина, или определения оптимальной скорости прессования для различных пород древесины.

В приведенной выше оценке степени разрушения волокон немалую роль играет параметр                       ,                                      (П.2.3)

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 (П.2.3), 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.

Ниже предлагается методика для определения оптимальной скорости прессования в зависимости от породы или особенностей произрастания деревьев, древесина которых подвергается модифицированию:

● используя выражение (П.2.2), построить графики зависимости степени разрушения волокон от различных значений скорости прессования и упругой деформации;

● нанести на сетку из теоретических кривых экспериментально полученные значения для испытываемого образца;

● оптимизировать (исходя из точности эксперимента) кривую зависимости степени разрушения волокон образца от скорости прессования;

● по выбранной кривой определить значение скорости оптимального прессования.

Кроме того, из сопоставления оценок по формуле (П.2.2) с экспериментальными данными можно определить процент, который составляет упругая деформация образца при разных скоростях прессования.

Затем, зная исходные размеры образца и относительную деформацию усушки, можно определить такой параметр пластифицированного лигнина, как скорость нарастания его вязкости в процессе сжатия образца.

Предлагаемая методика позволит разрабатывать режимы уплотнения древесины, учитывающие особенности различных пород (например, лиственных и хвойных), а также действия на древесину всевозможных пластификаторов.