CC BY
18
УДК674.047
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ В ЛИСТВЕННИЧНЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛАХ
ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ
Ш.Г. Зарипов
ФГБОУ ВПО «Сибирский Государственный технологический университет», 660049, Красноярск, пр. Мира, 82, e-mail: [email protected]
В статье рассматривается вопрос особенности распределения влажности в лиственничных пиломатериалах перед сушкой и в процессе сушки. На своеобразное распределение влажности в лиственничных пиломатериалах, как в начальной стадии, так и в процессе сушки оказывает влияние наличие водорастворимых экстрактивных веществ.
Ключевые слова: распределение влажности, пиломатериалы; лиственница, сушка, водорастворимые экстрактивные вещества
In this article are considered the features of the distribution of moisture in the larch lumber before drying and during drying. On the peculiar distribution of moisture in the larch lumber, as in the initial stage and in the process of drying affects the presence ofwater-soluble extractives.
Keywords: moisture distribution, timber, Larch, drying, water-soluble extractives
ВВЕДЕНИЕ
Влажность - одна из основных характеристик древесины, используемой в деревообработке. Вопрос распределения представляет собой определённый интерес, как с практической точки зрения, так и теоретической. Распределение влажности в сырых пиломатериалах является основой назначения режимов сушки в начальный период. В процессе сушки пиломатериалов по распределению влажности оценивается вероятность появления трещин. По распределению влажности в конце сушки устанавливается степень готовности пиломатериалов к дальнейшей их переработке.
При изучении вопроса начальной влажности особое внимание уделяется различию содержания влаги в заболони и ядре. Данная закономерность носит ярко выраженный характер и встречается в древесине как хвойных, так и лиственных пород. Содержание влаги в древесине лиственницы зависит от места вырезки (Бокщанин, 1982). У основания дерева в ядровой зоне содержится 55,1%, в заболонной зоне -103,6%. На половине высоты дерева и у кроны в ядре находится 48,0 ... 48,1%, ав заболони - 121,5% ... 126,7%.
Практический интерес в древесине лиственницы представляет ядровая зона ствола дерева, которая составляет 80 ... 88 % (Бокщанин, 1982) от ствола дерева. Поэтому в работе исследуется вопрос распределения влажности в лиственничных пиломатериалах выпиленных из ядровой зоны ствола дерева.
Распределение влажности в лиственничных пиломатериалах изучалось в течение всего периода исследования кинетики сушки, которые проводились
1,5 года. Для получения образцов использовались доски из разных партий бревен. Поэтому полученные данные отражают распределение начальной влажности в свежесрубленной древесине, произрастающей на территории Нижнего Приангарья.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Во всех случаях влажность секций определялась весовым способом. Секции выпиливались из пиломатериалов по определённой схеме (рисунок 1). Такая схема получения секций позволяет устанавливать как влажность образца по двум секциям, так и изменение влажности по длине доски. Кроме этого из каждой доски выпиливалась секция, по которой устанавливалось поле влажности по поперечному сечению доски. Схема раскроя такой секции представлена на рисунке 2.
Используемая схема раскроя секции на ламели (рисунок 2), по нашему мнению является оптимальной как по трудозатратам, так и по информативности. Размеры ламели (5х(12.15)х30 мм) установлены таким образом, чтобы точность измерения влажности составляла 98 ... 99% от общепринятой по ГОСТ 16588-91 (ИСО 4470-81) «Пилопродукция и деревянные детали. Методы определения влажности». Полученная точность удовлетворяет точности измерения влажности для древесины. Применение одного метода измерения влажности указывает на наличие систематической ошибки для всех секций. Поэтому полученные результаты сравнимые между собой и могут быть использованы для анализа распределения влажности в целом для оценки влажности в лиственничных пиломатериалах данного региона.
Ш.Г. Зарипов: Распределение влажности в лиственничных пиломатериалах при конвективной сушке
Секция для измерения влажности и по сечению
Рисунок 2 - Разметка секции для определения поля влажности по сечению доски
Распределение влажности в сырых лиственничных пиломатериалах, полученных из свежесрублен-ной древесины:
- по годичному слою: ранняя древесина - 54,95%; поздняя древесина 50,21%;
- по длине доски (таблица 1);
Таблица 1 - Распределение влажности по длине доски
Таблица 2 - Начальная влажность лиственничных пиломатериалов
№ п/п Влажность в точке, % Среднее значение Wcp., % Разброс влажности DW, %
1 31,3; 30,5; 2б,9; 31,2; 37,0 31,38 10,1
2 39,97; 43,55; 32,07; 37,83 38,36 11,48
3 5б,1; 59,0; 62,38; 64,72; 64,89; б2,б; 60,93 61,52 8,79
4 42,67; 49,86; 44,0; 47,45 46,0 7,19
5 57,24; 39,0; 63,84; 46,48; 85,19 58,35 46,19
6 58,69; 65,82; 59,36; 74,39 64,57 15,7
7 45,42; 34,96; 36,89; 38,99; 38,21 38,89 10,46
8 48,0;45,3; 46,6; 38,0 44,48 10,0
9 31,21; 38,67; 43,03; 41,1 38,50 11,82
10 55,3; 50,7; 51,5; 45,0 50,63 10,3
11 60,98; 65,69; 70,0; 63,0 64,92 9,02
- в зависимости от толщины (таблица 2):
Наименование параметра — Толщина доски, мм 25 50
1 2 3
Размер выборки, шт 120 89
Среднее значение, % 46,26 48,56
Дисперсия (s2) 206,69 178,88
Среднее квадратичное от- 14,38 13,37
клонение (s)
Коэффициент вариации, g 31,1 27,53
DW, %: 56,59 58,23
- min; 30,2 30
- max 86,79 88,23
- по поперечному сечению доски (таблицы 3): Таблица 3 - Распределение при тс = 0(Ь = 25 мм)
Номер элемента по
Влажность,'
Номер элемента по ширине
толщине 1 2 3 4 5 6 7 8
1 52,8 52,6 41,0 69,8 65,2 50,9 38,3 38,2
2 67,6 55,8 60,6 94,1 80,4 75,9 62,3 40,8
3 68,1 71,4 79,4 78,9 87,7 87,9 79,2 51,9
4 67,9 81,2 83,9 85,4 90,2 97,5 91,3 69,4
5 72,2 78,2 81,6 81,1 80,3 80,0 86,2 66,8
Влажность min, % 38,2
Влажность max, % 97,5
Влажность образца, % 71,9
Полученные данные дают основание сделать ряд выводов:
1 Влажность ядровой зоны свежесрубленной древесины лиственницы изменяется от 30 ... 88%. Среднее значение влажности составляет 46,26 ... 48,56%, что согласуется с данными, которые имеются в специальной литературе (Бокщанин, 1982).
2 По длине доски ДW составляет 5 ... 12%. В то же время встречается и доски, в которых ДW достигает 46%.
3 По поперечному сечению доски ДW достигает 55%. ДW смежных ламелей достигает 25%.
Распределение влажности в лиственничных пиломатериалах в процессе сушки.
В таблице 4 приведены результаты измерений распределения влажности в лиственничных пиломатериалах после 116 ч. сушки.
Сохраняется такая же закономерность в распределении влажности, как и в сырых пиломатериалах. Наблюдается значительный разброс влажности по сечению доски, достигающий 50,3% (55-4,7).
Полученные результаты в полной мере согласуются с результатами исследований по данной проблеме, изложенных в работе (Кротов, Ослонович, 1967) (рисунок 3, а). Перепад влажности по сечению доски при сушке лиственничных пиломатериалов высокотемпературными режимами (г = 1080С) после 16 часов сушки достигало 48 %. В отличие от графиков распределения влажности в пиломатериалах такой породы как сосна (рисунок 3, б) график распределения влажности в лиственничных досках представляет собой сложную ломанную кривую (Шубин, 1973).
Таблица 5 - Распределение при тс = 116 ч (режим сушки нормальный) (Ь = 50 мм)
Номер элемента -по толщине
Влажность,
Номер элемента по ширине
1 2 3 4 5 6 7
1 6,0 8,3 9,4 8,6 7,6 6,6 5,1
2 9,0 13,0 15,6 14,0 12,5 9,8 6,8
3 10,7 15,9 20,7 18,4 14,6 10,9 7,9
4 11,8 20,3 27,4 22,8 16,5 12,2 8,4
5 12,4 24,1 55,0 31,1 17,8 13,6 8,8
6 8,9 24,2 52,7 41,4 18,4 13,4 9,2
7 10,3 19,9 36,2 26,2 17,6 12,6 8,5
8 8,7 16,5 22,1 17,4 15,5 11,9 7,7
9 7,6 13,3 17,2 16,5 8,4 10,3 7,0
10 5,2 9,3 10,7 10,8 8,7 6,8 4,7
Влажность min, % 4,7
Влажность max,' % 55,0
Влажность образца, % 15,71
0 1 0 2 0 3 0 4 0 50 Толщина доски h, ш
0 1 5 2 0 2 5 3 0 Толщна доски Ь, ш
б
Рисунок 3 - Кривые распределения влаги в древесине при её сушке: а - лиственница, 5 = 50 мм, г =108 °С, 1т = 100 °С; б - ядро сосны, 5 = 30 мм, 1с =70 °С, (т =52 °С (Шубин, 1973)
ОБСУЖДЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученные результаты экспериментов распределения влажности по сечению ствола лиственницы указывает на то, что имеется некоторый фактор, который оказывает влияние на такое распределение. Для решения этой задачи были проведены исследования древесины на микроуровне. Заслуживает внимания ряд снимков поперечного разреза древесины лиственницы сибирской ранней зоны годичного слоя, под микроскопом. Снимки производились без предварительной экстракции срезов, что позволило зафиксировать содержимое внутриклеточного пространства (рисунок 4).
Фотографии торцового разреза трахеиды древесины лиственницы получены с различных мест образца при увеличении 200 раз. Общая площадь полости клетки в обоих случаях одинакова. В первом варианте (рисунок 4, а) только некоторая часть площади занята своеобразными «кристалликами», а остальная часть площади может заполняться либо водой, либо парога-
Ш.Г. Зарипов: Распределение влажности в лиственничных пиломатериалах при конвективной сушке
зовой смесью. Во втором варианте (рисунок 4, б) всё с точностью наоборот - только некоторая часть площади остаётся под накопление воды или парогазовой смеси, а на остальной части внутриклеточного пространства расположены «кристаллики» экстрактивных веществ. Установить какую-либо чёткую закономерность распределения экстрактивных веществ по сечению сырой доски в настоящее время установить не удалось.
б
Рисунок 4 - Поперечный разрез древесины лиственницы сибирской ранней зоны годичного слоя под микроскопом (увеличение 200 раз)
В то же время имеющиеся в литературе данные позволяют в первом приближении спрогнозировать места в стволе дерева, где происходит концентрация веществ растворимых в воде. Максимальное сосредоточение этих веществ наблюдается на границе заболони и ядра (Бокщанин, 1982, Гелес, 2007). Э.Н. Гвоздев и В.И. Шарков (Гвоздев, Шарков, 1972) отмечают, что у молодой древесины содержание веществ растворимых в воде, в 2 раза ниже, чем у спелой. Количество легкогидролизуемых полисахаридов у спелой древесины приблизительно на 5% выше, чем у молодой. Из этого следует, что в комлевой части ствола дерева сосредотачивается значительная часть водорастворимых экстрактивных веществ.
В виду того, что данная группа веществ располагается во внутриклеточном пространстве, то она мо-
жет быть отнесена к группе водорастворимых, основная часть которых приходится на арабиногалактан (АГ), количество которого в древесине лиственницы достигает 35% (Т.В.Алексеева и др., 1978). Тогда сосредоточение этой группы веществ в определённых участках ствола устанавливает количественное содержание влаги в свежесрубленной древесине.
Арабиногалактан - это полисахарид, макромолекула которого содержит гидроксильные и альдегидные группы (Медведева, Александрова, Танцырев, 2002). Наличие этих групп придаёт АГ способность к образованию ассоциатов за счёт межмолекулярного взаимодействия. Эти же функциональные группы могут участвовать во взаимодействии с водой, что способствует проявлению полиэлектролитных свойств АГ Ю.С. Оводов (Оводов, 1998) отмечает большую склонность АГ к образованию высокомолекулярных агрегатов и способность удерживать большое количество молекул воды.
Наличие воды в сырой древесине в определённых концентрациях в виде радикалов (ОН-, Н+) (Уразаев, 2006) создаёт условия, при которых молекулы АГ находятся в разобщённом состоянии. Это объясняется тем, что радикалы (ОН-, Н+) притягиваются соответственно к гидроксильным и альдегидным группам АГ и, в результате Броуновского движения, «растаскивают» молекулу АГ на части, окружая их, не давая соединиться вновь. В итоге получаются ионы, окружённые диполями растворителя (Уразаев, 2006).
Из сказанного выше следует, что определённая часть свободной воды в древесине лиственницы связана с водорастворимыми экстрактивными веществами через ионную связь (Медведева, Александрова, Танцырев, 2002). Известно, что по энергетике ионная связь занимает промежуточное положение между водородной и ковалентной: превышает водородную, но уступает ковалентной (Ахметов, 2008). Тогда концентрация водорастворимых экстрактивных веществ в определённых местах ствола дерева выступает дополнительным энергетическим барьером при удалении свободной воды из древесины лиственницы.
Из этого следует, что при равномерном распределении тепловой энергии по сечению доски наблюдается различный эффект сушки: из участка с меньшим содержанием водорастворимых веществ, влага удаляется быстрее по сравнению с участками, где содержание веществ выше (таблица 5). Такой процесс удаления влаги из древесины приводит к формированию значительного перепада влажности по сечению материала при сушке (рисунок 3, а).
Ранее нами экспериментально было установлено, что АГ в процессе сушки перераспределяется по сечению доски. Значит, концентрация АГ по сечению пиломатериалов при сушке является величиной непостоянной: значительная часть этих веществ концентрируется в поверхностной зоне доски, что оказывает негативное влияние на процесс сушки. В таком случае весь поток влаги, выходящий из внутренних слоёв доски проходит через слой АГ: на первом этапе происходит поглощение слоем АГ воды; одновремен-
но с поглощением происходит растворение АГ в воде; далее парогазовая смесь диффундирует через слой АГ; на последнем этапе осуществляется разрыв связей и вынос воды на поверхность доски, с которой происходит испарение.
Для осуществления процессов поглощения, растворения и разрыва связей требуется дополнительное количество тепловой энергии, которое накапливается во времени.
ВЫВОДЫ:
1. Влажность ядровой зоны свежесрубленной древесины лиственницы следует отнести к параметрам с повышенным диапазоном изменчивости (30 ... 88%).
2. Наблюдается значительный разброс влажности по сечению доски в процессе сушки, достигающий 50,3%.
3. Основным фактором, определяющим распределение влажности по сечению лиственничной доски, является наличие водорастворимых экстрактивных веществ.
4. Концентрация экстрактивных веществ в поверхностной зоне доски является сдерживающим фактором процесса сушки лиственничных пиломатериалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Бокщанин, Ю.Р. Обработка и применение древесины лиственницы [Текст] /Ю.Р.Бокщанин. - 2-е изд., перераб. и
доп. - М: Лесн.пром-сть, 1982. -216 с.
Кротов, Л.Н., Высокотемпературная сушка лиственничных пиломатериалов [Текст] / Л.Н.Кротов, В.Н. Ослонович// Деревообрабатывающая промышленность, 1967, №12.-С. 4-6.
Шубин, Г.С. Физические основы и расчёт процессов сушки древесины [Текст]/ Г.С. Шубин. - М.: Лесн.пром-сть, 1973. - 248 с.
Алексеева, Т.В. Влияние арабиногалактана на свойства бумаги [Текст] / Т.В.Алексеева [и др.] // Химия древесины, 1978, № 5. - С. 104- 109.
Медведева, С.А. Гель - проникающая хромотография арабиногалактана [Текст] / С.А. Медведева, Г.П. Александрова, А.П. Танцырев // Лесной журнал, 2002, № 6.- С. 108 - 113.
Оводов, Ю.С. Полисахариды цветковых растений: структура и физиологическая активность [Текст] / Ю.С.Оводов // Биоорганическая химия, 1998. Т. 24, № 7. - С. 483-501.
Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия [Текст] / Н.С. Ахметов. - 7-е изд., стер., учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 2008. - 743 с.
Уразаев, В.А. Растворители [Текст] / В.А. Уразаев // Технологии электронной промышленности, 2006. №1. -С. 44-49.
Гелес, И.С. Древесное сырьё - стратегическая основа и резерв цивилизации Петрозаводск [Текст]/ И.С.Гелес: Карельский научный центр РАН, 2007. - 499 с.
Гвоздева, Э.Н. Об изменении химического состава древесины лиственницы сибирской (ЬАЫХ 81В1ЫКА) с возрастом [Текст] / Э.Н.Гвоздева, В.И.Шарков// Химия древесины, 1972, №12. - С.45-48.
Поступилавредакцию 20.03.12 Принята к печати 03.12.13
