CC BY
95
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
Второе характерное давление Р2 заставляет жидкость протекать через поры.
Лиственные породы древесины имеют другую микроскопическую структуру, поэтому пропитка древесины лиственных пород происходит несколько по-другому.
На основе модели определим влияние температуры пропитывающей жидкости на эффективность пропитки. С увеличением температуры увеличивается пропускание жидкости через поры и лестничную перфорацию, однако скорость движения вдоль сосудов практически не изменяется. В целом же, за счет улучшения пропускания через малые отверстия, увеличение температуры пропитывающей жидкости увеличивает скорость пропитки древесины.
По итогам работы можно сделать следующие выводы.
1. При моделировании процесса пропитки древесины хвойных пород (сосны) жидкость распространяется по сосудам, перетекая из сосуда в параллельные сосуды через окаймленные поры.
2. При моделировании процесса пропитки древесины лиственных пород (дуба) жидкость распространяется в основном по крупным сосудам ранней зоны, перетекая из сосуда в сосуд через поры и лестничную перфорацию.
3. При пропитке сосны около 85 % жидкости движется вдоль сосудов, а оставшиеся 15 % переходят в соседние незаполненные сосуды.
4. При движении жидкости, вблизи фронта жидкости, существуют несколько характерных давлений. Первое характерное
давление Рх (самое малое) заставляет жидкость двигаться свободно вдоль сосуда. Второе характерное давление Р2 заставляет жидкость протекать через поры.
5. С увеличением температуры пропитывающей жидкости увеличивается скорость пропитки древесины.
6. При одном и том же потоке подаваемой жидкости давление в зоне подачи существенно снижается с увеличением температуры.
Библиографический список
1. Гулд, Х. Компьютерное моделирование в физике / Х. Гулд, Я. Тобочник. - М.: Мир, 1990. - Т. 2. - 400 с.
2. Зенкевич, О.С. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошной среды / О.С. Зенкевич, И. Чанг. - М.: Недра, 1974. - 238 с.
3. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. 2-е изд / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - Л.: Колос, 1980. - 168 с.
4. Советов, Б.Я. Моделирование систем : учеб. пособие для студентов вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. - М.: Высш. шк., 1998. - 319 с.
5. Хеерман, Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике / Д.В. Хеерман.
- М.: Наука, 1990. - 176 с.
6. Шамаев, В.А. Модифицирование древесины: учеб. пособие для студентов вузов / В.А. Шамаев. - Воронеж: ВГЛТА, 2005. - 197 с.
7. Шамаев, В.А. Модифицирование древесины : учеб. пособие для студентов вузов / В.А. Шамаев.
- Воронеж: ВГЛТА, 2007. - 385 с.
8. Шамаев, В.А. Подшипники скольжения из модифицированной древесины / В.А. Шамаев // Вестник машиностроения. - 2010. - № 7. - С. 62-68.
9. Экштайн, В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела / В. Экштайн. - М.: Мир, 1995. - 321 с.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕКИХ СВОЙСТВ ТЕрМИЧЕСКИ
модифицированной древесины сосны
Е.С. ШАРАПОВ, доц. каф. деревообрабатывающих производств ПГТУ, канд. техн. наук, KARL-CHRISTIAN MAHNERT, каф. биологии древесины и древесных продуктов, университет Георга-Августа, Германия,
А.С. КОРОЛЕВ, магистрант каф. деревообрабатывающих производств ПГТУ
Основными преимуществами термически гичность и высокая биологическая стойкость модифицированной древесины (ТМД) материала. Однако, как установлено иссле-по сравнению с ее аналогами являются эколо- дователями, процесс термической обработки
90
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
сопровождается изменением механических свойств древесины [1, 2, 5-11].
Многие ученые отмечают незначительное увеличение статистического модуля упругости после термической обработки древесины, однако с увеличением времени обработки данный показатель снижается. Изменение статистического модуля упругости зависит также и от максимальной температуры процесса и ее производной - потери массы. Значимое изменение модуля упругости наблюдалось лишь при потере массы 8 % и более [6]. Предел прочности при статическом изгибе снижается с начала процесса обработки и зависит от продолжительности и температуры обработки. Важным параметром является влажность древесины, при этом изменение механических свойств в условиях процесса термической модификации сухой древесины не так значительно, как по сравнению с влажной [6].
В работе [7] представлены результаты исследований механических свойств термически модифицированной древесины разных пород. Установлено, что снижение предела прочности при статическом изгибе происходит интенсивнее, чем статического модуля упругости для многих пород.
Исследования свойств ТМД по технологии «ThermoWood» выявили незначительное повышение значений модуля статической упругости и предела прочности при статическом изгибе при температурах обработки от 100 °С до 160 °С. Однако при увеличении максимальной температуры обработки до 240 °С данные значения понижались [8].
В работе [9] показано, что с увеличением температуры и времени термической обработки наблюдалось снижение величин модуля статической упругости и предела прочности при статическом изгибе образцов сосны в диапазоне температур от 130 °С до 230 °С.
Древесина, термически модифицированная по технологии «Plato», как отмечают исследователи, имеет пониженные значения пределов прочности при статическом изгибе при незначительном увеличении модулей статической упругости. Резко снижается пре-
дел прочности на растяжение вдоль волокон, снижается предел прочности при скалывании древесины вдоль волокон, однако повышаются значения таких параметров, как предел прочности при сжатии вдоль волокон и статическая твердость. Отмечается, что важным параметром, влияющим на механические свойства термически обработанной древесины, является влажность [10,11].
Исследованию свойств термически модифицированной древесины в настоящее время посвящены некоторые работы и в нашей стране, в частности, в [1] определено влияние процесса модификации на некоторые физико-механические свойства. Исследованию процессов термической модификации посвящены многие работы коллектива ученых Казанского национального исследовательского технологического университета. Ведется изучение процессов обработки термически модифицированной древесины резанием [2].
Цель исследований - определение взаимодействия статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе, а также изменение данных величин в условиях процесса циклического нагружения образцов термически модифицированной древесины сосны.
Используемое оборудование и инструмент. Штангенциркуль нониусный (цена деления 0.1 мм), весы электронные Precisa ES2220M (точность 0.001 гр.), микрометр Mitutoyo ID-C150RB (точность 0,003 мм), влагомер индуктивный FMW-B, климатическая камера Binder KBF-240, сушильный шкаф Binder ED-240, универсальная разрывная машина Zwick Z010, пароконвекционная камера UNOX, экспериментальная лабораторная установка для исследования процесса циклического нагружения материалов.
Методика экспериментальных исследований. Исследуемые образцы изготавливались из заболонной части одного лесоматериала сосны (Pirns sylvestris), сечением 10x10x150 мм, 400 штук. Осуществлялось их кондиционирование до нормализованной влажности в климатической камере Binder KBF-240. Определение статических модулей упругости и предела прочности при статичес-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
91
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
ком изгибе проводилось на универсальной разрывной машине Zwick Z010 (рис. 1, слева) согласно DIN 52186(68). Предварительные экспериментальные исследования статического модуля упругости и предела прочности образцов при статическом изгибе на универсальной разрывной машине показали большой разброс выходных величин. В связи с этим образцы разделялись на три группы по статическому модулю упругости Е, Н/мм2: 1) 5200-8000, 2) 8001-10500, 3) 10501-13000.
Согласно отбору по величине модуля упругости из обозначенных групп образцов выделены 4 подгруппы: немодифицированные образцы и образцы, прошедшие термическую модификацию при максимальных температурах процесса в 180 °С, 200 °С и 220 °С. С целью повышения точности эксперимента в отдельную группу выделялись образцы для определения потери массы после процесса термической модификации. Сушка образцов до абсолютно сухого состояния осуществлялась до и после процесса модификации в сушильном шкафу Binder ED-240, ГОСТ 16483.7-71. Процесс термической модификации проходил в специализированной пароконвекционной камере в среде перегретого пара в соответствии с технологической схемой процесса [8]. После модификации образцы снова кондиционировались до нормализованной влажности. Затем определялись статический модуль упругости и предел прочности при статическом изгибе.
Результаты исследований, выводы. Образцы, предназначенные для установления величины потери массы, после сушки до абсолютно сухого состояния, установления их массы и модификации при выбранных максимальных температурах процессов снова высушивались и взвешивались. Box plot график (Statistica) изменения величины потери массы образцов представлен на рис. 2 (слева). Результаты исследований статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе представлены на Box plot графиках рис. 3.
При сравнении средних значений статических модулей упругости образцов до и после процесса термической модификации
для всех режимов (максимальных температур) обработки можно сделать вывод о том, что изменение величины модуля упругости статистически незначимо для всех групп образцов, чего нельзя сказать о пределе прочности при статическом изгибе (рис. 3).
Взаимодействие величин статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе немодифицированных образцов, нормализованная влажность W=10.7 %: а = 41,624474 + £-0,0053097782 (R2=0.839, скорректир. R2=0.835, стандартная ошибка аппроксимации 4.654, £-статис-тика 406.962 (при Р=0.00000)), модель и ее коэффициенты значимы (рис. 4, слева). Взаимодействие величины статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе модифицированных образцов при максимальной температуре 180 °С, нормализованная влажность W=10.3 %: а = 16,98978 + £-0,0075813221 (R2=0.851, скорректир.
R2=0.841, стандартная ошибка аппроксимации 5.755, £-статистика 176.578 (при Р=0.00000)), модель и ее коэффициенты значимы (рис. 4, справа).
Взаимодействие величин статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе модифицированных образцов при максимальной температуре 200 °С, нормализованная влажность W=8.4 %: а = 6,867519438 + £-0,008525970 (R2=0.876, скорректир. R2=0.870, стандартная ошибка аппроксимации 5.927, £-статистика 326.138 (при Р=0.00000)), модель и коэффициент при Х значимы (рис. 5, слева). Взаимодействие величин статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе модифицированных образцов при максимальной температуре обработки в 220 °С, нормализованная влажность W=8.4 %: а = 8,389810015 + £-0,006750954 (R2=0.8501, скорректир. R2=0.841, стандартная ошибка аппроксимации 5.755, £-статистика 176.578 (при Р=0.00000)), модель и ее коэффициенты значимы (рис. 5, справа). Средние значения предела прочности образцов по группам при статическом изгибе представлены на поверхности рис.2 (справа), а = -188,028515 + 3,401057583(ln£)2 - 1,65e - 06T (r2=0.907,
92
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
Рис. 1. Универсальная разрывная машина Zwick Z010 (слева), лабораторная установка для исследования процесса циклического нагружения материалов (справа), каф. биологии древесины и древесных продуктов, университет Георга-Августа, Германия (Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte, Georg-August-Universitд/ G^tingen)
Рис. 2. Изменение потери массы образцов, % при варьировании максимальной температуры процесса термической модификации (слева); зависимость изменения предела прочности при статическом изгибе с, Н/мм2 (усредненные значения по группам) от максимальной температуры процесса термической модификации T, °С и статического модуля упругости Е, Н/мм2 (справа)
Рис. 3. Значения статического модуля упругости (слева) и предела прочности при статическом изгибе различных групп образцов (справа)
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
93
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
Рис. 4. Взаимосвязь статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе немодифицированных образцов (слева), модифицированных при максимальной температуре 180 °С (справа)
Рис. 5. Взаимосвязь статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе образцов, модифицированных при максимальной температуре 200 °С (слева), модифицированных при максимальной температуре 220 °С (справа)
Немодиф. 180°С 220°С
9000
■ Немодиф., 0 циклов 8000
7000
■ Немодиф., 10л5 6000
циклов
□ 180 С, 0 циклов 5000
■ 180 С, 10Л5 циклов 4000
■ 220 С, 0 циклов 3000
2000
■ 220 С, 10Л5 циклов 1000
0
Немодиф. 180°С 220°С
■ Немодиф., 0 циклов
■ Немодиф., 10л5 циклов
■ 180 С, 0 циклов
■ 180 С, 10Л5 циклов
■ 220 С, 0 циклов
■ 220 С,10Л5 циклов
Рис. 6. Средние значения статического модуля упругости (справа) и предела прочности при статическом изгибе (слева) для образцов до и после процесса циклического нагружения
скорректир. R2=0.872, стандартная ошибка аппроксимации 5.461, F-статистика 44.0996 (при Р = 0,00002)), модель и ее коэффициенты значимы.
Наблюдается высокая степень взаимосвязи между статическим модулем упругости
и пределом прочности при статическом изгибе для всех подгрупп образцов (рис. 4, 5). Общие данные изменения предела прочности при статическом изгибе представлены на поверхности отклика рис. 2 (справа), для всех образцов характерно снижение предела про-
94
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
чности при повышении температуры процесса термической модификации. Однако больший интерес представляет то, что падение выходной величины для образцов с исходно более низкими статическими модулями упругости происходит интенсивнее. Т.е. менее прочные образцы сосны (учитывая связь между статическим модулем упругости и пределом прочности при статическом изгибе и методику отбора, изготовления образцов) «теряли» прочность интенсивнее с учетом повышения максимальной температуры обработки. В этой связи результаты исследований представляют интерес для обоснования выбора исходного материала для процесса термической модификации, основным минусом которого является снижение некоторых механических свойств древесины.
Исследованию процессов циклического нагружения древесины и древесных материалов посвящен ряд работ отечественных и зарубежных исследователей, хотя в настоящее время работы в этом направлении ведутся незначительные и результаты исследований можно найти лишь в некоторых зарубежных научных изданиях. Большие исследования проведены в области выносливости металлов [3]. Следует отметить, что функция изменения циклической нагрузки не оказывает существенного влияния на выносливость испытуемых образцов, важными параметрами являются величины максимального и минимального напряжения цикла, кратковременные перегрузки (увеличение максимального напряжения) [3, 4]. Аналогичные результаты получены в работе [13], при этом критерием выносливости выступает среднее значение напряжения цикла.
Физическую сущность поведения древесины как анизотропного материала в процессе циклического нагружения можно объяснить наличием микротрещин, а также их появлением с течением времени. Крайние точки микротрещин концентрируют нагрузку при напряжениях с течением времени. С увеличением количества циклов напряжений наблюдается увеличение количества и размеров трещин и происходит внезапное разрушение образца [3, 4, 12]. Кривые усталости (кривые
выносливости, кривые Веллера, А.ЖцЫвг, 1870) показывают, что с увеличением числа циклов уменьшается максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала [3, 12, 15]. Средняя величина предела выносливости для древесины равна примерно 20 % от статического предела ее прочности. Изменение частоты колебаний напряжений в пределах от 1 до 50 Гц не оказывает влияния на величину предела выносливости [4].
Для определения изменения величин статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе в условиях процесса циклического нагружения термически модифицированных образцов из общего числа были отобраны образцы из первой группы. Процесс нагружения осуществлялся на лабораторной экспериментальной установке (рис. 1, справа). Использовался знакопостоянный асимметричный цикл с максимальной величиной нагружения в 50 % от предельных величин нагружений, полученных экспериментально при однократном статическом изгибе (164 Н для немодифицированной древесины, 150 Н для модифицированной при максимальной температуре 180 °С, 105 Н для модифицированных образцов при максимальной температуре 220 °С). Для предотвращения смещения образцов в процессе исследования минимальное значение нагружения цикла равнялось 25 Н, количество циклов 105, частота колебаний напряжений 20 Гц, испытывались образцы сосны, кондиционированные до нормализованной влажности.
Задачей исследования являлось установление влияния циклических напряжений на изменение статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе термически модифицированных образцов сосны.
На рис. 1.6 представлены средние значения и стандартные отклонения исследуемых величин для групп немодифицир-ванных образцов и образцов, прошедших процесс термической модификации при максимальных температурах в 180 °С и 220 °С. На основании сравнения средних величин по критериям Манна-Уитни и двухвыборочному критерию Колмогорова-Смирнова можно
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2013
95
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ДЕРЕВООБРАБОТКА
сделать вывод о том, что в заданном диапазоне количество циклов нагружений не оказывает статистически значимого воздействия на величину статического модуля упругости как немодифированных, так и модифицированных образцов. Что касается предела прочности при статическом изгибе, то значимые отличия наблюдаются только у немодифицированных образцов, при этом происходит незначительное повышение предела прочности после циклических напряжений. На первый взгляд, немодифицированные образцы и образцы, прошедшие термообработку при «низких» температурах, после циклических напряжений незначительно стали прочнее, однако для того, чтобы это утверждать, безусловно, требуется большее число опытов, увеличение числа и диапазона варьирования входных факторов.
Итоги работы. Получены зависимости взаимодействия величин статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе немодифицированных образцов древесины сосны (Pirns sylvestris) и образцов, прошедших процесс термической модификации при максимальных температурах в 180 °С, 200 °С и 220 °С. Выявлена высокая степень взаимосвязи между статическим модулем упругости и пределом прочности при статическом изгибе ТМД. При этом уменьшение величины предела прочности после термической обработки для образцов с исходно более низкими статическими модулями упругости происходит интенсивнее. Проведены экспериментальные исследования процесса циклического нагружения термически модифицированных образцов древесины сосны. Проанализированы изменения значений статического модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе после процесса циклического нагружения. Проведенное количество циклов нагружений не оказывает статистически значимого воздействия на величину статического модуля упругости как немодифицированных, так и модифицированных образцов. Значимые изменения после процесса циклического нагружения в сторону повышения предела прочности при стати-
ческом изгибе наблюдались у немодифицированных образцов сосны.
Библиографический список
1. Владимирова, Е.Г. Технология производства заготовок из термически модифицированной древесины: дис. ... канд. техн. наук / Е.Г. Владимирова. - М., 2012. - 22 с.
2. Шарапов, Е.С. Экспериментальные исследования процесса резания термически модифицированной древесины березы / Е.С. Шарапов, Е.Ю. Разумов, А.С. Королев и др. // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2011. - № 3. - С. 125-128.
3. Дарков, А.В. Сопротивление материалов / А.В. Дарков, А.С. Шпиро. - М.: Высшая школа, 1989. - 624 с.
4. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: Уч. для лесотехнич. вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп / Б.Н. Уголев. - М.: МГУЛ, 2001. - 340 с.
5. Militz, H. (2002). Thermal Treatment of Wood: European Processes and Their Background. IRG/WP 02-40241, 33rd Annual Meeting, 12-17 May, Cardiff-Wales, 4: 1-17.
6. Hill, C.A.S. (2006). Wood modification - chemical, thermal and other processes. Chichester, UK: John Wiley and Sons.
7. Jun Li Shi, Kocaefe, D., Zhang, J. (2007). Mechanical behavior of Quebec wood species heat-treated using ThermoWood process. Holz als Roh- und Werkstoff 65: 255-259.
8. Finnish Thermo Wood Association (2003). ThermoWood Handbook. Helsinki, Finland.
9. Saim Ates, Hakan M., Akyildiz, Hasan Ozdemir (2009). Effects of heat treatment on calabrian pine (pinusbrutia ten.) wood, BioResources 4(3), 10321043.
10. Boonstra, M. J. (2008). A two-stage thermal modification of wood. Ph.D. dissertation in cosupervision Ghent University and Universiffi Henry Poincam - Nancy 1,297 p.
11. Boonstra, M. J., Van Acker, J., Pizzi, A (2007). Anatomical and molecular reasons for property changes of wood after full-scale industrial heat treatment. Paper of the 3th European conference on wood modification ECWM3 Cardiff, 15-17 October 2007.
12. Nielsen, L. Fuglsand «Fatigue of viscoelastic materials such as wood with overload», Report R (195), Dept. of Struct. Eng. And Materials, Tech. Univ. Denmark.
13. Liu, J. Y., J. J. Zahn, and E. L. Schaffer 1994: Reaction rate model for the strength of wood. Wood and Fiber Science 26 (1): 3-10.
14. Bao, Z., C. Eckelman and H. Gibson. «Fatigue strength and allowable design stresses for some wood composites used in furniture», Holz als Roh- und Werkstoff , 54 (1996), 377-382.
96
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013
