СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ КАК МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРГАЕМОГО СУШКЕ И ТЕРМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ: ПЛОТНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 62

Соколов И.В.

аспирант

Уральский государственный лесотехнический университет (г. Екатеринбург, Россия)

СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ КАК МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРГАЕМОГО СУШКЕ И ТЕРМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ: ПЛОТНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ

Аннотация: в статье рассмотрена плотность древесины в зависимости от ее влажности, показатели, характеризующие плотность древесины, зависимость плотности термодревесины от температуры термообработки.

Ключевые слова: свойства древесины, плотность древесины, плотность термодревесины.

Плотность древесины - одна из базовых и самых важных характеристик, поскольку она напрямую влияет на все теплофизические свойства (удельную теплоёмкость, коэффициенты тепло- и температуропроводности и др.), а также на свойства, определяющие влагопроводность древесины и параметры тепломассообмена в процессе сушки и термомодифицирования древесины.

Древесина имеет сложную капиллярно-пористую структуру, проницаемую для жидкостей и газов. Сырая древесина состоит из древесинного вещества (стенки клеток), жидкости, которая пропитывает клеточные стенки (связанная влага), а также находится в полостях клеток и межклеточных пространствах (свободная влага), и воздуха (паровоздушная смесь в порах древесины). На рисунке 1 показано объемное содержание древесинного вещества, свободной влаги, связанной влаги и воздуха в древесине - в зависимости от её влажности при 200С, а также соответствующая этому состоянию плотность древесины р, кг/м3.

Рисунок 1. Объемное содержание древесинного вещества, свободной влаги, связанной влаги и воздуха в древесине при её различной влажности [3].

Количество и объем древесинного вещества при сушке не изменяется. Верхняя горизонталь характеризует древесину, насыщенную водой, с максимальной влажностью Wmax, т.е. полностью заполненную водой (воздуха нет), точками показана линия, характеризующая свежесрубленную древесину, пунктирная линия соответствует пределу гигроскопичности Wпг, когда свободной (капиллярной) влаги уже нет, а клеточные стенки полностью заполнены связанной (гигроскопической) влагой, нижняя горизонталь (ось абсцисс) характеризует состояние абсолютно сухой древесины, т.е. W = 0%. Увлажнение древесины соответствует направлению по ординате снизу вверх, процесс сушки - сверху вниз. В правом нижнем углу показана усушка, т. е. уменьшение объема древесины при снижении её влажности ниже предела гигроскопичности W , - за счет уменьшения толщины клеточных стенок при уменьшении содержания в них связанной влаги. Диаграмма построена в масштабе величин применительно к древесине сосны, шкала плотности которой нанесена на рисунке справа.

Плотность древесины - отношение массы древесины т к ее объему V:

р = V, кг/м3 или в г/см3 (1)

Для характеристики плотности древесины используют несколько показателей:

Плотность древесинного вещества в абсолютно сухом состоянии:

рд.в. = тт- = 1530 кг/м3, (2)

где:

шдв... - масса древесинного вещества, кг,

Уд.в., - объем древесинного вещества (без учета объема пор), м3.

Элементный химический состав древесины не зависит от породы и для всех пород примерно одинаков. Поэтому и плотность древесинного вещества не зависит от породы, она примерно одинакова для всех пород и равна 1,53 г/см3, т. е. в 1,5 раза выше плотности воды.

Плотность абсолютно сухой древесины определяется по формуле:

Ро = т0 , кг/м3, (3)

"о

где:

т0 - масса древесины при нулевой влажности, кг,

V0 - объем абсолютно сухой древесины, м3.

Плотность абсолютно сухой древесины меньше плотности древесинного вещества, так как она имеет пустоты, заполненные воздухом, т. е. пористость, которая выражается в процентах от объема древесины в абсолютно сухом состоянии [7]. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее пористость. Для абсолютно сухой древесины плотность и объем пор связаны следующей зависимостью:

П = (г - -РоЛоо, (4)

V Рд.в7

где П - пористость древесины, %.

Плотность влажной древесины:

pw = ^ , кг/м3, (5)

Vw

где:

т№ - масса древесины при влажности W, кг,

У№ - объем древесины при влажности W, м3.

Увлажнение сухой древесины до предела гигроскопичности приводит к повышению массы и объема образца. При влажности выше предела гигроскопичности увеличивается только масса древесины.

Связь между плотностью при W = 0 и плотностью влажной древесины может быть определена по формулам (6-7):

рш = р0 при W < 30%, (6)

КяШ+100 к

Pw = р0 при W > 30%, (7)

KaW+100 F

где Ка - коэффициент объемного разбухания, % на 1 % влажности древесины. Принимается Ка = 0,6 (белая акация, береза, бук, граб, лиственница), Ка = 0,5 (остальные породы) [7].

Парциальная плотность древесины характеризуется содержанием сухой древесины в единице объема влажной древесины:

Рп = m0 , кг/м3 (8)

Vw

Условная, или базисная плотность древесины, характеризуется содержанием сухой древесины в единице объема древесного образца, измеренного при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок W > 30%, определяется по формуле:

Рб = -m^ , кг/м3, (9)

Vmax

где Vmax - объем образца при W > Wn.H., м3.

Базисная плотность не зависит от влажности древесины. Величина ее меньше плотности абсолютно сухой древесины.

Зная плотность древесины при любой влажности, базисную плотность, кг/м3, можно определить по формулам (9-10):

при р6 = р„ 1°о(10о+ка»О < 30% (10)

Г К6 ГШ (100+Ш)(100+Ка-30)

Рб = Рш

100

100+Ш

при W > 30% (11)

Плотность древесины всех пород зависит от влажности. С увеличением влажности плотность древесины повышается и наоборот, что наглядно видно на рисунке 2, приведенном в работе И.В. Кречетова [3].

Рисунок 2. Плотность древесины в зависимости от ее влажности.

где:

точка А - плотность сосны, осины и липы при влажности W = 100% равна р = 800 кг/м3, точка В - плотность той же древесины при влажности W = 150% равна р = 1000 кг/м3,

точка С - максимальная плотность той же древесины ртах = 1140 кг/м3 при ее наибольшей влажности Wmax = 185%,

точка Е - минимальная плотность р.тт = 450 кг/м3 при влажности Wmш =

0%.

Графическая зависимость между плотностью древесины и ее влажностью представлена в виде наклонных линий: пунктирные линии соответствуют различным значениям условной (базисной) плотности древесины ру, кг/м3, нанесенным цифрами справа диаграммы (300, 350 и т. д.), сплошные линии, соответствуют определенной породе древесины. Некоторые пунктирные и сплошные линии совпадают, на этих линиях совмещены цифровые значения ру и наименования древесных пород. Излом линий на горизонтали предела гигроскопичности Wпг= 30% обусловлен усушкой (набуханием) древесины при влажности ниже этого предела, т. е. при влажности от 0% до 30%.

По диаграмме удобно определять:

- плотность древесины различных пород при любой их влажности,

- максимально возможную плотность,

- максимально возможную влажность,

- условную плотность для каждой породы,

- снижение плотности древесины при потере ею части влаги и т. д.

Из диаграммы следует, что в зоне правее вертикали КМ, соответствующей плотности р = 1000 кг/м3, древесина будет тонуть в воде. Тяжелые древесные породы тонут при низкой влажности (например, граб, акация - при W> 60%), а легкие - при очень высокой (пихта - при W> 230%).

Существует и еще один показатель - равноплотность. Он характеризует равномерность распределения плотности внутри годового кольца

ствола дерева. У некоторых пород в пределах годичного слоя плотность древесины различна: плотность поздней зоны в 2...3 раза больше, чем ранней. Например, это прослеживается у дуба, ясеня, сосны. А у других пород, например, у самшита, граба, клена или липы - практически не меняется.

По плотности древесины при влажности 12% все породы делят на три группы:

1. С малой плотностью (540 кг/м3 и меньше) - ель, сосна, пихта, кедр, осина, липа, тополь, можжевельник, каштан, ива и др.

2. Средней плотности (от 550 до 740 кг/м3) - береза, ясень, лиственница, дуб, клён, бук, вяз, орех грецкий, рябина, яблоня, груша, карагач, платан и др.

3. Высокой плотности (750 кг/м3 и более) - граб, акация, кизил, саксаул, самшит, железное дерево, фисташка и др.

В зависимости от влажности, условий произрастания, возраста древесины, соотношения объемов ранней и поздней древесины внутри годового кольца, пористости и других факторов, плотность древесины может меняться в значительных пределах. Например, плотность древесины ели может колебаться в пределах 0,37-0,58 г/см3, сосны 0,30-0,70 г/см3, березы 0,50-0,75 г/см3 [4].

Плотность термомодифицированной древесины.

При термомодифицировании древесины происходят значительные изменения её структурного и химического состава, в результате чего изменяются и её физико-механические свойства.

В работах Р.Р. Сафина [5] и П.А. Кайнова [2] приведены показатели плотности древесины, термомодифицированной при разных температурах -180, 200, 220 и 240 °С. На рисунке 3 приведены построенные на основании этих данных графики зависимости плотности термодревесины сосны, березы и дуба от температуры термообработки.

Рисунок 3. Зависимость плотности термодревесины от температуры термомодифицирования.

На оси ординат отмечены значения плотности древесины этих пород при нулевой влажности, до её термообработки.

Анализ этих графиков показывает, что при термомодифицировании плотность всех пород древесины уменьшается и становится ниже, чем была при нулевой влажности до её термообработки. И чем выше температура обработки, тем ниже плотность термодревесины.

Это объясняется тем, что в процессе термомодифицирования из древесины уже при 120 0С испаряются все экстрактивные вещества (смолы, жиры, пектины и др.), они не входят в состав клеточных стенок и удаляются очень легко. А при дальнейшем нагревании начинают распадаться и вещества, содержащиеся в клеточных стенках: менее термостойкие гемицеллюлозы, а затем и аморфная часть целлюлозы разлагаются до водорастворимых сахаров и глюкозы, которые паром вымываются из состава древесины. В результате уменьшается объемный вес и плотность древесинного вещества. И, поскольку гемицеллюлоза является главным водопоглощающим элементом в древесной структуре, с её удалением уменьшаются показатели равновесной влажности, древесина перестает впитывать воду, что так же напрямую будет влиять на показатель плотности термодревесины при её использовании в условиях повышенной влажности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Боровиков, А. М. Справочник по древесине / А. М. Боровиков, Б. Н. Уголев. - Москва: Лесная промышленность, 1989. - 296 с;

2. Кайнов, П. А. Энергосберегающая технология термического модифицирования пиломатериалов в среде топочных газов: дисс. канд. техн. наук: 05.21.05 / Кайнов Павел Александрович. - Казань, 2012. - 156 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. - Пермь: 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. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 336 с;

10. Шубин, Г. С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 248 с

Sokolov I.V.

Ural State Forest Engineering University (Yekaterinburg, Russia)

PROPERTIES OF WOOD AS A MATERIAL SUBJECT TO DRYING AND THERMAL MODIFICATION: WOOD DENSITY

Abstract: the article examines the density of wood depending on its moisture content, indicators characterizing the density of wood, the dependence of the density of thermally modified wood on the temperature of heat treatment.

Keywords: wood properties, wood density, thermally modified.