CC BY
1Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 12 (81) Том 5 ч. 2. ДЕКАБРЬ 2024 г. УДК 62
Соколов И.В.
аспирант
Уральский государственный лесотехнический университет (г. Екатеринбург, Россия)
СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ КАК МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРГАЕМОГО СУШКЕ И ТЕРМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ: ГИГРОСКОПИЧНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ
Аннотация: в статье рассмотрена гигроскопичность древесины и её изменение при термическом модифицировании древесины.
Ключевые слова: свойства древесины, гигроскопичность древесины, гигроскопичност ь термодревесин ы.
Гигроскопичность древесины имеет первостепенное значение, так как влага влияет на многие ее свойства [7].
Гигроскопичность древесины — это способность древесины впитывать водяной пар - влагу из окружающего воздуха.
Вода в древесине может быть свободной и связанной.
Свободная (капиллярная) влага, находится в полостях клеток и межклеточных пространствах и удерживается в физико-механическими связями.
Связанная (гигроскопическая) влага пропитывает клеточные стенки древесины и удерживается в стенках клеток прочными физико-химическими связями.
При сушке влажной древесины, в пределах клетки в первую очередь полностью удаляется свободная влага и лишь затем, после полного удаления свободной влаги, из оболочек клеток начинает испаряться связанная влага.
При обратном процессе наоборот, сухая древесина (её клеточные стенки) поглощает влагу из влажного воздуха - в начальный период - очень быстро, затем этот процесс замедляется и, наконец, когда количество связанной влаги достигает максимального значения, прекращается. Влажность древесины, при которой в ней может находиться максимальное количество связанной влаги примерно одинакова для всех древесных пород и при комнатной температуре составляет около 30%. Вся влага выше 30% будет свободной, но она не может попасть в древесину из влажного воздуха, для этого нужен контакт с водой.
Состояние древесины (её влажность), при которой количество связанной влаги максимальное, а свободной (капиллярной) влаги нет, называют пределом насыщения клеточных стенок, или пределом гигроскопичности. При комнатной температуре принято считать Wп.н= = 30%. Однако, при
повышении температуры значение предела гигроскопичности повышается, при температуре 100 0С оно равно W п.г = 20%.
Удаление из древесины свободной влаги не изменяет механических свойств древесинного вещества. Изменение гигроскопической (связанной) влаги приводит к изменению линейных размеров, усушке или разбуханию древесины.
Различают абсолютную и относительную влажность древесины.
Абсолютная влажность древесины есть отношение массы содержащейся в древесине влаги к массе абсолютно сухой древесины, выраженная в процентах
Относительная влажность древесины есть отношение массы содержащейся в древесине влаги к массе сырой древесины, выраженное в процентах.
W = Мш-Мс % Мс '
(1)
W = Мш-Мс %
Мш '
Если взять отдельно пробы очень влажной и сухой древесной стружки и положить их в неотапливаемом помещении, с течением времени обе пробы приобретут примерно одинаковую влажность (рисунок 1, а). С изменением погоды изменяется влажность стружки. В насыщенном паром воздухе (^=1) влажность стружки достигнет примерно 30%, т. е будет соответствовать пределу гигроскопичности древесины. Если провести опыт в более сухом воздухе, например в комнатных условиях, с пробами древесины меньшей, но разной - влажности, - будут получены аналогичные кривые (рисунок 1, б), проба 4 - крупных размеров (медленное выравнивание влажности).
Таким образом, определенному состоянию воздуха (его температуре и влажности) соответствует уравновешенная с ним влажность и температура древесины, называемая равновесной Wр, %.
Рисунок 1. Кривые выравнивания влажности древесины во времени: а - во влажном воздухе: 6 - в сухом воздухе, 1 - проба с высокой начальной ближностью, 2, 3 - пробы с пониженной начальной влажностью, 4 - проба с низкой начальной влажностью, 5 - гистерезис сорбции, 6 - равновесная влажность древесины (пунктиром).
Значение Wр будет больше, если древесина имела повышенную влажность и высушивалась. Если перед достижением равновесного состояния влажность древесины повышалась, т.е. происходила сорбция влаги, значение
р будет несколько меньше. Таким образом, горизонталь Wр/ десорбции будет выше горизонтали Wр, полученной в результате сорбции.
Разница между ЛWр = Wр/ - W р называется гистерезисом сорбции. Она указывает на неполную обратимость процессов сушки и увлажнения древесины. Величина гистерезиса сорбции - десорбции зависит от состояния среды и в большей степени - от определяющего размера древесины. Так, для промышленных сортиментов, имеющих толщину более 15 мм и длину более 100 мм, гистерезис сорбции достигает 2,5% влагосодержания. Для шпона ЛW« 0,5%, а для измельченной древесины гистерезис, достигающий значений порядка 0,1—0,2%, в практических расчетах может не учитываться.
Величина гигроскопических характеристик древесины, прошедшей обработку средой с повышенной температурой (например, в условиях камерной сушки), ниже, чем древесины при тех же параметрах, но обрабатывавшейся лишь средой в естественных условиях - Wy(eCт). Это снижение гигроскопических характеристик, по определению П. С. Серговского [6], может быть, для практических расчетов оценено величиной, равной половине гистерезиса сорбции ЛWр. Зная равновесное влагосодержание, устойчивое влагосодержание древесины в различных условиях можно определить по формулам:
Wy. с. (ест) = Wр +iДW, (3)
Wy. д. (ест) = Wр (4)
Wy. д. (кам) = Wр, (5)
Wy. д. (кам) = Wр, (6)
где для практических расчетов можно принимать Д№ = 2,5%.
Нормализованная влажность древесины - равновесная влажность, приобретаемая при Х = 20±20С и влажности среды W = 65±5 % (ГОСТ 2343179). Диаграмма равновесного влагосодержания древесины [13] приведена на
рис. 2. Значения Wp по диаграмме на рисунке 2 мало отличаются от соответствующих диаграмм, полученных другими авторами.
Рисунок 2. Диаграмма равновесного влагосодержания древесины.
Эта диаграмма равновесной влажности справедлива для древесины любых пород, дифференциация равновесной влажности по породам практически отсутствует [12].
Г.С. Шубин в [11] дает следующую формулу для определения равновесной влажности:
Жр = 10,6^ (3,27 - 0,15 (7)
где:
^ - относительная влажность воздуха, %,
t - температура воздуха, 0С
(8)
и выражение для предела гигроскопичности:
Wп.г. = 34,1 - 0,139?.
Гигроскопичность термодревесины.
В процессе термомодифицирования древесины происходят значительные изменения её структурного и химического состава. Из клеточных стенок практически полностью удаляются водопоглощающие элементы: гемицеллюлоза и аморфная часть целлюлозы разлагаются до водорастворимых сахаров и глюкозы, которые паром вымываются из состава древесины. В результате гигроскопичность максимально понижается, древесина перестаёт впитывать воду.
Учеными Казанского национального исследовательского технологического университета были проведены исследования изменения гигроскопичности древесины в процессе её термомодифицирования при разных температурах.
На рисунке 3 представлены результаты исследования сорбционных свойств термомодифицированных образцов березы в зависимости от температуры обработки.
Рисунок 3. Зависимость влияния температуры и времени обработки древесины на относительную влажность термодревесины.
С повышением температуры обработки гигроскопичность древесины существенно снижается. Снижение гигроскопичности наблюдается и при увеличении продолжительности обработки при одной и той же температуре
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Боровиков, А. М. Справочник по древесине / А. М. Боровиков, Б. Н. Уголев. - Москва: Лесная промышленность, 1989. - 296 с;
2. Глебов, И. Т. Физика древесины: Учебное пособие / И. Т. Глебов. -Екатеринбург: УГЛТУ, 2018. - 80 с;
3. Кречетов, И. В. Сушка древесины / И. В. Кречетов. - М. =: Лесн. пром-сть, 1980. - 432 с.;
4. Постникова, М. В. Химия древесины и синтетических полимеров: конспект лекций / М. В. Постникова, О. А. Носкова. - Перм: Перм. гос. техн. ун-т, 2003. - 60 с;
5. Сафин, Р. Р. Исследование физико-механических свойств термомодифицированой древесины березы / Р. Р. Сафин, А. В. Сафина, А. Х. Шаяхметова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2015. - № 4, Т. 18. - С. 213-217;
6. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. - М.: Лесн. пром-ть, 1981. - 304 с;
7. Уголев, Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение / Б. Н. Уголев. -М.: МГУЛ, 2007. - 351 с;
8. Чубинский, А. Н. Физика древесины: учебное пособие по выполнению лабораторных работ / А. Н. Чубинский, А. А. Тамби, М. А. Чубинский, К. В. Чаузов. - СПб.: СПбГЛТУ, 2015. - 67 с;
9. Чудинов, Б. С. Вода в древесине / Б. С. Чудинов. - Новосибирск: Наука, 1984. - 267 с;
10. Чулицкий, Н. Н. Исследование водопроводности и водопоглощаемости древесины различных пород / Н. Н. Чулицкий // Науч. тр. - М.: ЦАГИ, 1932. -122 с;
11. Шубин, Г. С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 248 с;
12. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 336 с
Sokolov I.V.
Ural State Forest Engineering University (Yekaterinburg, Russia)
PROPERTIES OF WOOD AS A MATERIAL SUBJECT TO DRYING AND THERMAL MODIFICATION: HYGROSCOPICITY OF WOOD
Abstract: the article discusses the hygroscopicity of wood and its change during thermal modification of wood.
Keywords: wood properties, wood hygroscopicity, thermally modified.
