CC BY
67
УДК 674.213.049.2:674.031
Д. В. Шейкман, Н. А. Кошелева
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ И ОСИНЫ
Ключевые слова: модифицирование древесины, лиственные породы, пропитка древесины.
Модифицирование древесины позволяет получать новые материалы с более широким диапазоном ценных свойств. С целью обоснования применения модифицированной древесины березы и осины в качестве долговечного покрытия пола изучены следующие ее свойства: статическая твердость, ударная твердость, прочность при статическом изгибе, износостойкость, местное смятие древесины поперек волокон (контактная прочность), ударная вязкость при изгибе, водостойкость и формостабильность в процессе эксплуатации, как наиболее важные для покрытий пола.
Keywords: wood modification, hardwoods, impregnation of wood.
Wood modification allows obtaining new materials with a wider range by valuable properties. In order to justify the use of the modified birch and aspen as a durable floor covering studied following its properties: the static hardness, impact toughness, strength in static bending, wear, local crushing of wood across the grain (contact strength), impact strength at a bend, waterproof and dimensionally stable in pro-process operation as the most important for floor coverings.
Введение
С учетом ранее проведенных исследований и по установленным оптимальным режимам из древесины березы и осины была изготовлена партия паркета с лицевым модифицированным слоем и изучены его физико-механические и эксплуатационные свойства. Для сравнения в качестве эталонного материала, применяемого для изготовления паркета, принимается древесина дуба.
В результате модификации древесины березы и осины за счет пропитки волокон древесины полимерными составами и последующего уплотнения при температуре выше 100 0С поверхностный слой паркетной планки превращается в композиционный материал, обладающий улучшенными физико-механическими свойствами, в том числе и повышенной твердостью [1].
Экспериментальная часть
Определяющими факторами при выборе материала для покрытий пола являются статическая и ударная твердость, от которых во многом зависят основные эксплуатационные показатели паркета и его долговечность. Древесина осины и березы в натуральном виде по степени статической твердости относится к группе мягколиственных пород [2] (твердость древесины < 49 Н/мм2) и поэтому мало пригодна для производства прочного напольного покрытия. На диаграмме (рис. 1) представлена сравнительная характеристика статической твердости дуба, модифицированной и немодифицированной древесины осины и березы.
Пропиточные составы, заполняющие поры и сосуды древесины и пропитывающие стенки клеток, обеспечивают повышение устойчивости стенок к механическим воздействиям.
Твердость древесины осины после модификации выросла в среднем на 52,4 %, значительно приблизившись к верхней границе статической твердости мягколиственных пород (49 Н/мм2), но так и не дос-
тигла твердости эталонного дуба, что объясняется эластичностью волокон и строением древесины осины, а также существенно меньшей твердостью натуральной древесины осины (18,7 Н/мм2) не только по сравнению с дубом (54,5 Н/мм2), но и с древесиной березы (35,9 Н/мм2). В тоже время статическая твердость древесины березы в результате модификации увеличилась более чем в два раза и достигла при пропитке акриловым и алкидным составом соответственно 73 Н/мм2 и 81 Н/мм2, что намного превышает статическую твердость древесины дуба.
(N
S
s
к
£
о о
S
CD PQ H
cd «
О (D ST S
Й H
U
90 80 70 60 50 40 30 20 10
18,7
й
/ s s s / / s
</VVVVV ^
Рис. 1 - Сравнительная характеристика статической твердости дуба и модифицированной и немодифицированной древесины осины и березы
В процессе эксплуатации напольного покрытия возможно его повреждение в результате резкого ударного воздействия точечной нагрузки (падение небольшого тяжелого предмета, удар каблуком и т.п.), после которого на поверхности паркета остаются небольшие отпечатки-вмятины, причиной появления которых являются низкая ударная твердость, иначе хрупкость лицевой поверхности паркета.
На рисунке 2 представлена сравнительная характеристика по ударной твердости древесины осины и березы в натуральном виде и после модифицирования по сравнению с древесиной эталонного дуба.
^ 1.2 Ч:-11105 1.03
осина береза дуб
и натуральная древесина
^древесина, м о диф ициро в анная акркпо в ым составом □I древесина, модифищрованнаяапкидньш составом Рис. 2 - Ударная твердость древесины осины и березы по сравнению с древесиной дуба
Как показали результаты экспериментов, в результате модификации происходит повышение ударной твердости древесины березы и осины: 0,97 Дж/см2 у древесины березы и 1,05 Дж/см2 у древесины осины, пропитанных алкидным составом, и 1,08 Дж/см2 и 1,1 Дж/см2 соответственно при пропитке акриловым составом. Более высокие последние показатели объясняются тем, что акриловые пропиточные составы, растворителем в которых является вода, создают более пластичный, способный к деформации древесных волокон, слой древесины, в то время как алкидные составы создают более твердый и хрупкий слой древесины, менее устойчивый к ударным нагрузкам. Все полученные показатели ударной твердости модифицированной древесины осины и березы превышают ударную твердость древесины дуба в среднем на 9,3 %.
Прочность паркетной планки на статический изгиб имеет значение, когда напольное покрытие укладывается на наклонных поверхностях, например, пандусах или на невыравненных по горизонтали, тонких и деформирующихся под нагрузкой основаниях. Прочность на изгиб зависит во многом от породы и строения древесины и особенно велика по значению у древесины твердолиственных пород -более 100 МПа.
На рисунке 3 представлена сравнительная характеристика прочности при статическом изгибе модифицированной и натуральной древесины осины березы и осины в сравнении с дубом. Образцы с модифицированным слоем древесины имеют значительно лучшие показатели при испытании на статический изгиб, чем образцы из натуральной древесины, особенно из березы. Показатели осины после модификации увеличились на 11,6 % и 27,0 %, но не достигли прочности на изгиб древесины дуба. Прочность на изгиб у древесины березы изначально выше прочности древесины дуба из-за его хрупкости, а после модифицирования возрастает на 54,5 % и 56,4 % и достигает 172 МПа при пропитке алкидным составом на основе ПФ-053.
Рис. 3 - Сравнительная характеристика прочности при статическом изгибе модифицированной и натуральной древесины осины, березы и дуба
При испытаниях на изгиб при нагружении возникают сжимающие напряжения в верхней лицевой части образца и растягивающие в нижней. Поскольку прочность на сжатие вдоль волокон значительно меньше прочности на растяжение, то разрушение при изгибе начинается с образования редко видимых складок в сжатой части образцов. Окончательное разрушение происходит в растянутой зоне в виде разрыва или отслоения крайних волокон и полного излома образца.
Повышение прочности на статический изгиб образцов древесины из осины и березы объясняется тем, что в данном случае опасные сжимающие напряжения воспринимает лицевой слой паркетной планки, модифицированный пропиткой и уплотнением, а поэтому более прочный по сравнению с натуральной древесиной, а растягивающие напряжения воспринимает нижний уплотненный слой, тоже более прочный. Паркетную планку после модификации можно рассматривать как трехслойную балку, которая за счет слоистого строения способна воспринимать большие нагрузки при изгибе, чем однослойная и монолитная по сечению. Каждый слой трехслойной паркетной планки при изгибе работает как самостоятельный элемент и в то же время в соединении с другими слоями, предавая им часть изгибающей нагрузки. Защепистые изломы древесины на нижней уплотненной и растянутой при изгибе поверхности свидетельствуют о высокой прочности образцов с пропитанным и уплотненным слоем древесины.
Местное смятие древесины поперек волокон, называемое иногда контактной прочностью древесины, это деформация под воздействием местной ограниченной по площади определенной нагрузки, деформирующей поверхность древесины, и является важным эксплуатационным показателем для напольных покрытий, часто испытывающих значительные точечные нагрузки от мебели, музыкальных инструментов и т.д.
Результаты исследований по определению местного смятия древесины березы и осины, модифици-
рованнои алкидным и акриловым составами, приведены на рис. 4.
к К a if
I о ° ё
I §
Is g g-
S к
OJ о
g. К
■!)
'S S
з I
и S
14 12 10
8 6 4 2 0
12,2
lu.S
7,6
s,? :
9.1
Осина
Дуб
Береза и натуральная древ есина
« древесина, модифицированная акриловым составом древе сина, модифицирав энная алкидным с остав ом
Рис. 4 - Условный предел прочности на смятие поперек волокон древесины березы и осины по сравнению с дубом
Прочность древесины после модифицирования акриловым составом ВАК-48Д повышается у осины на 20 %, а у березы на 31,3 %. Прочность древесины, пропитанной алкидным составом на основе ПФ-053, увеличивается еще больше, у осины на 44,4 %, а березы на 47%, что можно объяснить созданием более твердого и прочного слоя. По полученным показателям древесина осины выровнялась с натуральной древесиной дуба (9,1 Н/мм2), а древесина березы превзошла его на 34 % (12,2 Н/мм2), что свидетельствует об эффективном влиянии модификации древесины осины и березы на контактную прочность паркета.
Покрытия для пола в процессе эксплуатации часто испытывают различные ударные динамические нагрузки, поэтому обязательно должны иметь достаточно высокую ударную вязкость[3].
Способность древесины поглощать работу при ударе или динамических нагрузках без разрушения определяется ее ударной вязкостью. Чем больше величина работы, необходимой на разрушение образца древесины, тем выше его ударная вязкость. Если для разрушения образца будет затрачена меньшая величина работы, значит древесина хрупкая, и покрытие для пола будет недолговечным.
Следует отметить, что ударная вязкость натуральной немодифицированной древесины осины (8,5 кДж/м2) и березы (9,3 кДж/м2) выше ударной вязкости древесины дуба (7,6 кДж/м2), что объясняется его природной хрупкостью, резкой разницей в строении ранней и поздней зон годичных слоев и большими анатомическими неровностями высотой до 200 мкм и более на продольных разрезах. Напротив, древесина березы и осины более однородная, умеренно вязкая и хорошо гасит ударные динамические нагрузки.
Полученные данные свидетельствуют о существенном положительном влиянии модификации древесины на ее ударную вязкость, которая при пропитке осины акриловым составом увеличивается на 28, 2 % и составляет 10,9 кДж/м2, а при пропитке березы увеличение значительно меньше, всего 14 %, и составляет 10,6 кДж/м2. Эти показатели в е по сравнени с данными при пропитке алкидными составами.
Ударная вязкость древесины осины повысилась всего на 9,4 % и достигла 9,3 кДж/м2, а у древесины березы соответственно 7,5 % и 10,0 кДж/м2, что связано с более жесткой структурой и меньшей пластичностью алкидных составов на органических растворителях после отверждения. Кроме того, древесина осины по сравнению с березой имеет меньшую плотность и более эластичные древесные волокна, хорошо воспринимающие ударные нагрузки.
Модифицированный слой древесины на поверхности паркетных планок из древесины березы превосходит по большинству основных показателей эталонную для производства паркета древесину дуба.
Данный процесс модифицирования позволяет использовать малоценные породы древесины вместо дорогих, дефицитных твердолиственных пород для изготовления напольных покрытий.
Литература
1.Кошелева Н.А., Шейкман Д.В. Оптимизация процесса модифицирования малоценных лиственных пород древесины // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6.;URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=16958 (дата обращения: 31.05.2016).
2.Б.Н. Уголев, Древесиноведение с основами лесного товароведения. МГУЛ. Москва. 2001. 225 с.
3.Кошелева Н.А., Шейкман Д.В. Вестник технологического университета. Т.18, № 14. 126-130 (2015).
© Д. В. Шейкман, асс., зав. лаб. каф. механической обработки древесины, Уральский государственный лесотехнический университет, [email protected]; Н. А. Кошелева, к.т.н., профессор той же кафедры, [email protected].
© D. V. Sheykman, assistant Professor, head of laboratory of the Department of mechanical wood processing, Ural state forestry University, [email protected]; N. A. Kosheleva, candidate of engineering Sciences, Professor, Department of mechanical wood processing, Ural state forestry University, [email protected].
