CC BY
78
Химико-термическая переработка древесины и древесных отходов
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ ПОПЕРЕК ВОЛОКОН
В.А. ШАМАЕВ, проф. каф. древесиноведенияВГЛТА, д-р техн. наук, д.т.н.,
И В. ВОСКОБОЙНИКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦ ЛПК» по науке, д-р техн. наук, В.М. ЩЕЛОКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦЛПК»
[email protected], [email protected]
Деформирование древесины изначально достаточно полно рассмотрено при малых деформациях в пределах действия закона Гука (Б.Н. Уголев, Ф. Колльман, Ю.М. Иванов) [1, 2, 7]. Реология процесса прессования при больших деформациях исследована менее подробно (П.Н. Хухрянский, Б.И. Огарков) [3,
4] для древесины с малой степенью пластичности. Для пластифицированной древесины реологические уравнения получены К.А. Ро-ценсом [5]. Целью настоящей работы явилось изучение реологии прессования древесины, пластифицированной карбамидом [6].
Для оценки деформаций сжатой поперек волокон древесины во времени изучена прямая и обратная ползучесть. Испытания проводили на рычажной установке (рис. 1), позволяющей сохранять постоянной влажность образца во время нагрева.
Установлено, что в среднем величина упругой деформации натуральной древесины мало изменяется со временем. Так, при напряжении 1,8 МПа и влажности древесины 5 % она уменьшилась за 600 с на 31 %, при влажности 10 % - на 24 % (рис. 2). При напряжении 8 МПа древесина березы влажностью 10 % и более начинает заметно прессоваться, т.е. наступает вторая фаза деформирования. Пропитка древесины карбамидом приближает деформативные показатели древесины к соответствующим более влажным образцам (рис. 3).
Со временем уменьшается упругая составляющая, но не возрастают и остаточные деформации. Остается практически постоянной сумма упругих и остаточных деформаций, следовательно, пластифицированная карбамидом древесина проявляет неявный
Рис. 1. Схема рычажной установки: 1 - опора; 2 - нагружатель; 3 - пуансон; 4 - измерители; 5 - образец; 6 - нагреватель
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
75
Химико-термическая переработка древесины и древесных отходов
Рис. 2. Кривые ползучести натуральной древесины при различной влажности (а) и различных напряжениях (б): 1, 2, 3 - соответственно влажность 21, 13, 10 % (нагрузка 2,8 МПа); 4, 5, 6 - соответственно напряжения 8,0, 4,3, 1,8 МПа (влажность 10 %)
Рис. 4. Ползучесть и обратная ползучесть сжатой поперек волокон пластифицированной древесины при температурах: а - 95 °С; б - 20 °С
Рис. 3. Кривые ползучести пластифицированной древесины влажностью 5 % (а) и 20 % (б) при различных нагрузках: 1, 2, 3 - соответственно 8,0, 4,3, 1,8 МПа
Рис. 5. Зависимость предела прочности при сжатии вдоль волокон от плотности прессованной древесины: 1 - полученной по способу Хухрянско-го; 2 - Лигнамона; 3 - Дестама
характер трансформации упругих деформаций в остаточные.
По-видимому, со временем в древесине происходит накопление связей, препятствующих быстрому восстановлению размеров после снятия нагрузки. Для пластифицированной древесины при малой влажности остаточные деформации пропорциональны приложенному напряжению и нарастают в течение периода испытаний с затуханием. Следовательно, пропитка древесины карбамидом приводит к резкому (в 3-6 раз) снижению доли упругих деформаций, быстро убывающих во време-
ни, причем по мере выдержки под давлением замедляется скорость обратной ползучести. Оценивая роль пластификатора, можно сделать вывод, что пропитка карбамидом в несколько раз повышает податливость древесины во влажном состоянии при сжатии. С другой стороны, после разгрузки наблюдается переход упругих деформаций в задержанные, а часть задержанных деформаций переходит в остаточные. Следовательно, в пластифицированной древесине происходит интенсивная релаксация напряжений, связанная с переходом в новое равновесное состояние.
76
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
Химико-термическая переработка древесины и древесных отходов
Таблица
Мгновенный и длительный модули упругости древесины
Влажность, % Модули упругости, ГПа в направлениях
радиальном тангенциальном вдоль волокон
Мгновенные Длительные Мгновенные Длительные Мгновенные Длительные
10 1,18 0,70 0,707 0,28 13,12 7,30
20 0,86 0,18 0,450 0,18 7,23 4,77
30 0,44 0,11 0,330 0,11 5,27 3,29
Ползучесть и обратная ползучесть древесины при различной температуре представлена на рис. 4. Верхняя кривая отражает развитие общих деформаций нагретой до 99 °С пластифицированной древесины березы плотностью 676 кг/м3 и влажностью 10 %. Кривая отражает развитие деформаций в древесине при комнатной температуре и постоянной влажности. Развитие деформаций в начале процесса нагружения для обоих случаев происходит при фактически постоянной влажности и отражает в основном влияние температуры. Повышение температуры в 4,75 раза приводит к увеличению общей деформации в 1,5 раза.
Высокоэластичная деформация, или деформация внутреннего трения, определяемая взаимным перемещением микрофибрилл целлюлозы и при нагрузке определяемая как запаздывающая деформация. Может достигать до 20 % общей; проявляется преимущественно в первой и третьей фазах деформирования.
Деформация прессования определяется изменением конфигурации - сосудов клеток древесины, достигает 70 % общей деформации, проявляется преимущественно во второй фазе деформирования.
Деформация формоизменения развивается за счет поперечного деформирования свободного образца или за счет сил трения о стенки пресс-формы при наличии боковых ограничений, составляет от 5 до 20 % общей деформации. Проявляется на всех трех фазах деформирования. Определяется величиной деформации прессования.
Деформация разрушения характеризует необратимое изменение микроструктуры древесины вследствие неравномерности сжатия отдельных элементов конструкции и
их разрушения. Зависит от состояния древесины в процессе сжатия и проявляется лишь при возвращении древесины из прессованного в натуральное состояние. Может колебаться в пределах от 5 до 40 % общей деформации древесины. Экспериментальное определение выявленных деформаций смятия проводилось на рычажной установке (рис. 1). Установлено, что толщина слоя смятия при нагрузке 7,5 МПа для натуральной древесины влажностью 10 % составляет 0,423 мм, для пластифицированной карбамидом - 0,811 мм. Экспериментально были определены мгновенный и длительный модули упругости древесины березы, пластифицированной карбамидом при сжатии в трех направлениях (таблица).
Зная величины длительного и мгновенного модулей упругости, можно рассчитать время ползучести и показатель формы кривой ползучести. Показатель формы кривой, выступающей в качестве показателя интенсивности процесса, лежит в интервале 0,314-0,357. Это свидетельствует о том, что переход сжатой поперек волокон древесины в новое равновесное состояние не затухает даже за два месяца - ползучесть продолжается значительно дольше. Одной из составляющих деформаций при прессовании древесины является деформация разрушения.
Необходимость учета элементов разрушения при расчете деформативного поведения материалов (по реологической модели) отмечалась различными исследователями. Прочность спрессованной на 50 % в радиальном направлении древесины сосны после распрессовки снижается на 20-30 % исходной. Логично предположить, что, придав древесине пластичность и деформируя ее при малых нагрузках с небольшой скоростью, составляющую разрушения можно свести к
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
77
Химико-термическая переработка древесины и древесных отходов
минимуму. Критерием эффективности может служить приведенный показатель прочностных свойств древесины, например, твердость или предел прочности при сжатии. Следует отметить, что применяющийся в настоящее время для характеристики эффективности процесса модификации коэффициент качества является некорректным, так как при этом сравниваются приведенные показатели свойств натуральной и модифицированной древесин при различной влажности. Влажность натуральной древесины берется 12 или 15 %, а модифицированной 4-6 %, в то время как изменение влажности на 1 % изменяет прочность на 5-6 %. Если мы приведем показатели прочности натуральной и модифицированной древесины к одной влажности, то коэффициент качества всегда будет менее 1.
Для предела прочности при сжатии вдоль волокон это иллюстрируется рис. 5. Значения предела прочности для натуральной древесины разных пород и разной плотности взяты из литературных данных и пересчитаны для влажности 5 %, также как и для модифицированной древесины. Анализ зависимостей, приведенных на рис. 5, показывает, что уплотнение до плотности свыше 1200 кг/м3 ведет к непропорциональному росту предела прочности, что связано с увеличением микроразрушений.
Следует отметить, что при одной и той же конечной плотности предел прочности зависит от начальной плотности древесины: чем ниже начальная плотность, тем ниже предел прочности. Это связано с тем, что для уплотнения древесины с малой начальной плотностью (400-500 кг/м3) требуется большая степень уплотнения 60-65 %, при этом
деформации разрушения проявляются больше, чем при уплотнении на 30-35 %. Поэтому древесину низкой плотности целесообразно уплотнять до величины не выше 1000 кг/м3, ограничивая степень уплотнения (50-55 %).
Выводы
1. Пластификация карбамидом в 2-3 раза снижает жесткость древесины, что создает предпосылки для бездефектного прессования древесины.
2. Полученные количественные значения реологических коэффициентов позволяют разработать реологическое уравнение уплотнения древесины до плотности древесинного вещества.
Библиографический список
1. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения / Б.Н.Уголев. - М.: Лесная пром-сть, 1986. - 360с.
2. Иванов, Ю.М. О деформациях и напряжениях в древесине как неоднородном материале / Ю.М. Иванов. - Тр. института леса АН СССР, т.4, 1949. - С. 195-200.
3. Хухрянский, П.Н. Прессование древесины / П.Н. Хухрянский. - М.: Лесная пром-сть, 1964. - 351с.
4. Огарков, Б.И. Теория упругого последействия древесины / Б.И. Огарков. - ЖТФ, т.27, № 5, 1957 -С. 1181-1120.
5. Роценс, К.А. Технологическое регулирование свойств древесины / К.А. Роценс. - Рига: Знание, 1979. - 220с.
6. Шамаев, В. А. Влияние пропитки мочевиной на деформативные показатели древесины березы / В. А. Шамаев, Г.К. Гаврилов. - мат. конф. «Проблемы комплексного использования древесного сырья», Рига: Знание, 1984. - с.165-169.
7. Kollman F. Technologie des Holies und der Yolrwerkstoffes. 2. New barbeitete und erweitete Aufgabe, 1 Band// Berlin: Springer-Werlug,151.- 901p.
78
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
