CC BY
136
УДК 630*81
ПРОНИЦАЕМОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ ЖИДКОСТЯМИ
С.Г Елисеев, В.Н. Ермолин, А.В. Намятов
Сибирский государственный технологический университет, Красноярск, Россия
660049 Красноярск, пр. Мира, 82; e-mail: [email protected]
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований проницаемости древесины березы жидкостями. Установлено, что в радиальном направлении у древесины березы наблюдается нарушение корреляционной зависимости между газопроницаемостью и проницаемостью водой. Причиной данной особенности является снижение поперечной проницаемости древесины березы при взаимодействие с водой. Это обусловлено изменениями, происходящими в макрокапиллярной проводящей системе, вызванными разбуханием содержимого полостей паренхимных клеток.
Ключевые слова: древесина, береза, проницаемость, пропитка, пропиточная жидкость
Работа выполнена в рамках государственного задания на выполнение НИР №2014/214
This paper presents the results of experimental research of the birch wood penetrability by liquids. It is established that in the birch wood radial direction there is a failure in correlation dependence between gas and water penetrability. The reason of this feature is the reduction of the birch wood transverse penetrability in interaction with water. It is determined by changes in microcapillary conducting system caused by swelling of the cavities contents of the parenchymal cells.
Keywords: wood, birch, penetrability, impregnation, impregnation liquid
ВВЕДЕНИЕ
На территории Красноярского края произрастают два вида промышленно значимых берез схожих по анатомическому строению и физико-механическим свойствам древесины - пушистая (Betula pubescens) и повислая (Betula pendula). Береза относится к безъядровым видам древесных пород и ее древесина по данным (Ковригин, 1986.) характеризуется достаточно высокой проницаемостью по всему сечению ствола. В тоже время накопленный опыт промышленной автоклавной пропитки крупномерных березовых лесоматериалов под давлением, свидетельствует об обратном. Требуемое сквозное проникновение растворов в процессе пропитки березовых сортиментов наблюдается не всегда и зачастую в центральной части материала остаются непропитанные участки древесины. При этом увеличение продолжительности процесса пропитки не решает данную проблему.
Из работы (Оснач, 1964.) известно, что наибольшей проницаемостью древесина обладает в продольном направлении (в 1,6х 104 раза больше поперечного), что объясняется физиологической необходимостью растений в переносе значительного объема водных растворов от корней к кроне растущего дерева. Однако в практике промышленной пропитки древесины наибольшее значение имеет поперечный перенос жидкости, что также подтверждается и опытом торцовой пропитки березовой древесины вдоль волокон. Так при глубоком крашении березовых кряжей отмечается неравномерное распределение пропиточного состава по сечению (Лангендорф, и др., 1982., Хунт, и др., 1961.), а также понижение концентрации растворов по мере удаления от торца, к которому подводится рас-
твор (Кушнирская, 1973), что неприемлемо при изготовлении высококачественной продукции.
Исследования поперечной газопроницаемости древесины березы, представленные в работе (Цыбулько и др., 2012.), указывают на то, что она существенно зависит от структурного направления. Проницаемость березы в радиальном направлении 1,7 раза выше тангенциального, что согласуется и с данными (Оснач, 1964.). А поскольку между газопроницаемостью древесины и ее проницаемостью жидкостями у лиственных пород (Ковригин, 1986.) также как и у хвойных доказана корреляционная зависимость (Харук, 1976.), то показатели газопроницаемости древесины березы, представленные в работе (Цыбулько и др., 2012.) позволяют прогнозировать приемлемые значения поперечного переноса жидкостей в древесине березы на уровне заболонной древесины ели (Харук, 1976.). Следовательно, учитывая показатели газопроницаемости березовой древесины, следует полагать, что древесина березы в поперечном направление должна пропитываться не хуже еловой.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
В целях выявления причин затруднения продвижения пропиточного раствора по сечению березовых сортиментов была проведена опытная пропитка образцов древесины в поперечном направлении. Пропитку осуществляли автоклавным способом при давлении 0,4 МПа водным раствором дихромата калия, продолжительность пропитки составляла 3 часа. Выбор дихромата калия был обусловлен тем, что он образует истинный не фильтруемый древесиной раствор и имеет окраску обеспечивающую изменение
цвета древесины. Образцы изготавливались размерами 50^50x300 мм из трех видов древесных пород: березы, заболони ели и осины в качестве контроля. Исходная влажность древесины первой партии образцов составляла 7%, второй около 50%. Для исключения продольного переноса жидкости производилась гидроизоляция торцов двумя слоями эмали ПФ-115М и одним слоем силиконового герметика.
При одинаковых условиях пропитывания у березовых образцов в центральной части (как правило, эксцентрично) наблюдались непропитанные участки, в то время как у ели и осины с обеими
вариантами влажности образцы показали сквозное проникновение раствора. Образцы березы с исходной влажностью 7% имели средние размеры не-пропитанных участков в пределах от 11 до 25 мм (рисунок 1), а при 50% влажности и вовсе 30 - 35 мм. При этом в процессе вскрытия березовых образцов из непропитанной зоны отмечался выход воздуха, что проявлялось в бурном образовании воздушных пузырьков. Увеличение продолжительности пропитки до 6 часов лишь незначительно (от 1 до 4 мм) уменьшило средние диаметры не-пропитанных зон.
Рисунок 1 - Типичный образец древесины березы после 3 часового пропитывания: слева - исходная влажность 7%; справа - исходная влажность 50%
С учетом полученных результатов было выдвинуто предположение, что у березы в отличие от древесины хвойных пород возможно запирание воздуха в центральной части сортимента фронтами пропитки, чем и обуславливается затруднение продвижения пропиточной жидкости.
Для подтверждения выдвинутой гипотезы, было решено изменить способ пропитки древесины так, чтобы он практически полностью исключал вероятность замыкания воздуха фронтом пропитки. В этих целях использовалось специальное приспособление (рисунок 2) обеспечивающее возможность направленного пропитывания образцов путем про-давливания жидкости в одном из поперечных направлений, за счет чего обеспечивалось свободное вытеснение воздуха из древесины пропиточной жидкостью в атмосферу. Для проведения эксперимента из древесины ранее указанных пород были изготовлены образцы размерами 30x15x50 мм (ширинахнаправление пропиткихдлина вдоль волокон) с радиальными и тангенциальными пластя-ми. Кромки и торцы образцов гидроизолировались аналогично способу, описанному в предыдущем эксперименте. Затем образцы помещались в пропиточное приспособление (рисунок2), где при помощи болтов 1 герметично фиксировались, а через штуцер 4 под давлением 0,4 МПа подавался водный раствор дихромата калия. Вытесненный фронтом пропитки воздух и продавленный через образец раствор (в случае сквозного проникновения) выходил через штуцер 5.
Рисунок 2 - Схема пропиточного приспособления 1 - болт; 2 - образец древесины; 3 - резиновая уплотнительная прокладка; 4 - вводной штуцер; 5 -выводной штуцер
Пропитка древесины осуществлялась в течение 24 часов. Продолжительность процесса пропитки была обусловлено небольшой площадью подведения пропиточного раствора к испытуемому образцу (0,79 см2) и возможностью его перераспределения вдоль волокон. Результаты пропитки представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты направленной пропитки
древесины
Вид древесной породы Средняя глубина проникновения раствора по направлениям, мм
радиальное тангенциальное
Береза 6,9 4,4
Ель 15,0 1,7
Осина 3,9 12,2
Как показали результаты направленной пропитки (таблица 1) сквозное проникновение пропиточного раствора наблюдалось только у еловых образцов и только в радиальном направлении, в тангенциальном направлении образцы ели имели глубину проникновения почти в 9 раз меньшую в сравнении с радиальным. Также высокие значения проникновения раствора в тангенциальном направлении показали образцы осины более 12 мм, тогда как в радиальном продвижение фронта пропитки составило около 4 мм. Образцы березы в радиальном направлении в среднем имели глубину продвижения фронта пропитки менее 7 мм, а в тангенциальном менее 4,5 мм. Полученные данные показывают, что наибольшей проницаемостью для жидкостей в радиальном направлении ожидаемо, обладает еловая древесина, более чем в два раза превышая показатели березовой и практически в 4 раза осиновой древесины. В тангенциальном направлении лучшими показателями обладает осиновая древесина, превышая показатели березовой почти в три раза, а еловой более чем в два раза.
В целом полученные экспериментальные данные согласуются с результатами ранее проведенных исследований газопроницаемости рассматриваемых пород. У ели проницаемость в радиальном направлении в 8,8 раза выше тангенциального, по газопроницаемости соотношение колеблется в пределах 10 раз (Харук, Е.В., 1976). У осины тангенциальная проницаемость водным раствором в 3 раза превышает радиальную при этом полученные данные также согласуются с ее газопроницаемостью по данным (Хунт и др., 1961), соотношение газопроницаемости по структурным направлениям в пользу тангенциального чуть более 3 раз. С результатами по березе получилась более противоречивая картина. По данным (Цыбулько и др., 2012) газопроницаемость березы в радиальном направлении превышает тангенциальное в 1,7 раза, отношение по водопроницаемости составило 1,56 раза, что сопоставимо. Но если сравнить абсолютные значения газопроницаемости березы 2,5697х10-6м3/с-МПа и осины 2,4621 х10-6м3/с^МПа по направлениям, имеющим наибольшую проницаемость радиальное для березы и тангенциальное для осины (Хунт. и др., 1961, Цыбулько и др., 2012) то мы увидим, что различие между показателями составляет менее 5%, то есть в пределах точности опыта. В тоже время, сопоставив проницаемость древесины по тем же направлениям водным раствором, мы видим, что проницаемость осины более чем на 70% превышает проницаемость березы. Возникает вопрос, в чем причины нарушения корреляционной зависимости газопроницаемости березовой древесины в радиальном направлении с ее проницаемостью жидкостями?
Как известно при пропитке древесины под давлением продвижение жидкости происходит в объемной фазе
по системе сообщающихся макрокапилляров вглубь сортимента, частично перераспределяясь в стенки прилегающих анатомических элементов за счет диффузии (Ермолин, 1997). При этом объемная проницаемость древесины в первую очередь определяется особенностями ее строения и отчасти свойствами пропиточной жидкости (вязкость, поверхностное натяжение, полярность и т.д.). Глубокие исследования проницаемости древесины хвойных пород показывают, что перенос жидкости в древесине большинства хвойных пород поперек волокон происходит преимущественно по специализированным анатомическим элементам - лучевым трахеидам сердцевинных лучей (Ермолин, 2000). Причем хвойные породы, не имеющие лучевых трахеид, или с наличием прерываний их рядов характеризуются более низкими значениями проницаемости (Ермолин, 2000). Если сопоставить показатели газопроницаемости заболони березы и осины с хвойными породами, то мы увидим, что например газопроницаемость заболонной древесины сосны в радиальном направлении в десятки раз выше, чем у указанных лиственных пород. Наиболее близкие значения газопроницаемости (Харук, 1976) с рассматриваемыми породами имеет ель, характеризующаяся наличием прерываний рядов лучевых трахеид в сердцевинных лучах. Это говорит о том, что низкие значения поперечной проницаемости лиственных, по-видимому, объясняются тем, что у лиственных пород лучевые тра-хеиды отсутствуют и их роль выполняется менее эффективными для этих целей анатомическими элементами. В случае осины поперечный перенос жидкости происходит через паренхимные клетки сердцевинных лучей и терминальные клетки границы годичного слоя (Ермолин и др. 2010). У березы, исходя из высокой газопроницаемости древесины в радиальном направлении (Цыбулько и др., 2012) , основными проводящими элементами в поперечном направлении, предположительно выступают паренхимные клетки сердцевинных лучей. Исходя из вышесказанного, было выдвинуто предположение, что изменение проницаемости древесины березы в радиальном направлении в первую очередь связано с особенностями строения и свойствами лучевых анатомических элементов. С учетом указанных выше особенностей было выдвинуто предположение, что береза имеет нестабильную систему проводящих макрокапилляров, которая может изменять характеристики проницаемости при изменении влажности древесины.
Для уточнения механизма снижения проницаемости и путей проникновения пропиточного раствора, были проведены микроскопические исследования пропитанной и непропитанной древесины березы. Которые показали, что пропиточный раствор локализуется в полостях сосудов, волокнистых трахеид, паренхимных клеток сердцевинных лучей и древесной паренхимы. В ходе микроскопических исследований было отмечено, что при влажности древесины менее 10%, в полостях паренхимных клеток на внутренней поверхности клеточных стенок наблюдалось стекловидное вещество красновато-желтого цвета - предположительно обезвоженные остатки протопласта. При этом в увлажненной до 40-50% древесине полости большинства паренхим-ных клеток полностью были заполнены клеточным со-
держимым. По-видимому, при взаимодействии с водой сухое содержимое полости паренхимной клетки увеличивается в размерах за счет разбухания. Это вероятно и может являться причиной нарушения корреляционной связи между газопроницаемостью сухой древесины березы и ее проницаемостью водой.
ОБСУЖДЕНИЯ И ВЫВОДЫ
Возможность сквозной пропитки древесины березы подобно, как и хвойных пород (Ермолин, 1997) обусловлена тем, что пропиточный раствор, как в продольном, так и в поперечном направлениях продвигается в основном по анатомическим элементам, имеющим наименьшее сопротивление течению жидкости. При этом вытесняемый из полостей воздух перемещается не в центральную часть образцов, а перераспределяется в прилегающие анатомические элементы с большим гидравлическим сопротивлением, например волокнистые трахеиды и сосуды небольшого диаметра которые в этом случае будут выполнять роль «ресиверов». Благодаря описанному процессу в центральной части материала не происходит замыкания воздуха встречными фронтами пропитки и может обеспечиваться сквозное проникновение пропиточного раствора. Учитывая это, образование непропитанных участков древесины за счет замыкания воздуха в центральной части пропитываемых сортиментов невозможно не только в хвойной, но и
в березовой древесине. Что и было доказано в ходе направленного пропитывания древесины березы.
В процессе исследований было установлено, нарушение корреляционной зависимости газопроницаемости березовой древесины в радиальном направлении и ее проницаемостью водой. Необходимо учитывать, что коэффициент газопроницаемости полученный при влажности менее 30% не может являться надежным критерием, характеризующим проницаемость данной древесины жидкостями.
Причиной обуславливающей нарушение корреляции газопроницаемости и водопроницаемости древесины, а также затруднения переноса жидкости в поперечном направлении, по-видимому, являются остатки протопласта паренхимных клеток содержащиеся в полостях. Которые в процессе пропитки древесины березы водным раствором могут значительно увеличиваться в размерах и препятствовать дальнейшей пропитке.
Сущность процесса снижения радиальной проницаемости заключается в том, что по мере увеличения влажности древесины и появления свободной влаги происходит разбухание веществ содержащихся в полостях паренхимных клеток, что приводи к уменьшению эффективного сечения проводящих путей, или даже полному их перекрытию. Схематично процесс изображен на рисунке 3. В результате подведение пропиточного раствора от периферии к центру многократно замедляется, или вовсе становится невозможным.
а
б
Рисунок 3 - Схема продвижения пропиточной жидкости по полостям паренхимных клеткок сердцевинных лучей березы: а - при влажности менее 20%, б - при влажности выше 30%. 1 - поры; 2 - клеточная стенка; 3 - путь продвижения пропиточного раствора; содержимое клетки: 4 - при влажности 7%, 5 - при влажности более 30%
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
Ермолин В.Н. Модель древесины как объекта пропитки / Лесной журнал. - 1997. - №3. - с. 75-79.
Ермолин В.Н. Анатомические особенности древесины хвойных пород, определяющие ее проницаемость / Строение, свойства и качество древесины - 2000. Материалы международного симозиума. - Петрозаводск. - 2000. - с. 49 - 50.
Ермолин В.Н., Елисеев С.Г, Цыбулько И.С. Исследование путей переноса жидкости в древесине осины / Лесной и химический комплексы - проблемы и решения. Сборник статей. Том 1 - Красноярск: СибГТУ, 2010. - с. 93 - 96
Ковригин, Г.С. Проницаемость древесины лиственных пород жидкостями и газами, пути ее повышения: Дис. канд. техн. наук. - Красноярск. СТИ, 1986. - 128 с.
Кушнирская, М.Ц. Крашение древесины в производстве мебели. - М.: Лесная промышленность, 1973. - 120 с.
Лангендорф, Г., Айлер, Х. Облагораживание древесины / сокр. пер. с нем. И.Е. Ивановой. - М.: Лесная промышленность, 1982. - 240 с.
Оснач, Н.А. Проницаемость и проводимость древесины. М., 1964. - 128 с.
Харук, Е.В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. Новосибирск: Наука, 1976. - 197 с.
Хунт, М., Гэррат, А. Консервирование древесины. - М. - Л.: Гослесбумиздат, 1961. - 454 с.
Цыбулько И.С., Ермолин В.Н., Елисеев С.Г., Васильев В.А. Газопроницаемость древесины осины поперек волокон / Актуальные проблемы лесного комплекса. Сборник научных трудов. Выпуск 29. - Брянск: БГИТА, 2011. - 179 с.
И.С. Цыбулько, С.Г. Елисеев, В.Н. Ермолин Газопроницаемость древесины березы / Лесной и химический комплексы - проблемы и решения. Сборник статей. Том 1 - Красноярск: СибГТУ, 2012. - с. 164 - 167
Поступила в редакцию 22.08.14 Принята к печати 20.12.14
