Свойства древесины как материала, подвергаемого сушке и термической модификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Свойства древесины как материала, подвергаемого сушке и термической модификации

Соколов И.В.

Аннотация

В статье дан обзор свойств древесины как материала, подвергаемого сушке и последующему термомодифицированию, дана оценка степени разработанности данного вопроса при температурах нагрева до 100-120 °С (стадия сушки) и при более высоких температурах, дан обзор исследований свойств термомодифицированной древесины.

Ключевые слова: сушка, термомодифцирование древесины, гигроскопичность, тепловые свойства, теплофизические свойства, теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность, влагопроводность древесины, тепломассообмен, физикомеханические свойства термодревесины.

Abstract

Sokolov I.V.

PROPERTIES OF WOOD AS MATERIAL SUBJECTED TO DRYING AND THERMAL MODIFICATION

Article provides an overview of the properties of wood as a material subjected to drying and subsequent thermomodification, an assessment of the degree of elaboration of this issue at heating temperatures up to 100-120 ° C (drying stage) and at higher temperatures, an overview of studies of the properties of thermomodified wood.

Keywords: drying, thermal modification of wood, hygroscopicity, thermal properties, thermophysical properties, heat capacity, thermal conductivity, thermal conductivity, moisture conductivity of wood, heat and mass transfer, physical mechanical properties.

Термомодифицирование древесины - это инновационное направление в развитии деревообработки, позволяющее из обычной древесины создать уникальный 100% экологичный материал, не только сохраняющий все преимущества натуральной древесины, но и значительно превосходящий её - и по декоративным, и по многим физико-механическим свойствам. Термодревесина не гниёт (даже в воде), не поражается насекомыми, геометрически стабильна, не разбухает и не коробится, не боится резких перепадов температуры и влажности, а срок её службы - в десятки раз больше, чем у обычной древесины.

Термомодифицирование древесины проводится при высоких температурах (от 160 до 260 °С) по специальной технологии в бескислородной среде, без применения каких-либо химических средств.

Первым и одним из самых ответственных этапов процесса термомодифицирования древесины является сушка древесины, от качества которой во многом зависит конечное качество термодревесины.

Затем идут стадии:

прогрева и досушки, на которой температура постепенно повышается до 130 °С, и материал досушивается до абсолютно сухого состояния,

собственно термомодифицирования - нагрев и выдержка материала при заданной температуре,

охлаждения, на которой, с целью предотвращения воспламенения древесины, температура понижается д-о 120 130°С.

В процессе термомодифицирования древесного материала наблюдается сложный процесс, который протекает внутри тела. При этом изменяются: цвет, клеточное строение, плотность, масса, физико-механические свойства древесины.

Необходимость знания свойств подвергаемой сушке и последующему термомодифицированию древесины объясняется тем, что происходящую в процессе термообработки древесины совокупность физических явлений необходимо рассматривать, решая одновременно как внешнюю задачу - теплоперенос в среде обработки и её теплообмен с материалом, так и внутреннюю - теплоперенос внутри материала.

А так как древесина является коллоидным капиллярно-пористым телом, аналитический расчет процессов её нагревания основывается на решении дифференциальных уравнений тепломассопереноса, описывающих изменения во времени показателей температуры и влажности по толщине материала. древесина сушка термомодифицированный

Однако, решение этих дифференциальных уравнений и построения математической модели процесса сушки и последующего термомодифицирования древесины, невозможно без знаний теплопроводных характеристик обрабатываемого материала.

При анализе процессов тепловой сушки [24, 12, 36, 41 и др.] обычно выделяют следующие группы свойств древесины:

гигроскопичность древесины,

тепловые свойства,

свойства, определяющие влагопроводность древесины и еётепломассообмен с агентом сушки,

прочностные и реологические свойства.

Гигроскопичность древесины.

Исследованиями проблем, связанных с гигроскопичностью древесины занимались многие авторы [15, 16, 28, 31, 32, 36, 37, 41 и др.].

Основными свойствами, характеризующими гигроскопичность древесины, являются:

предел гигроскопичности Wu.!-., %,

равновесная влажность W^, %.

Тепловые свойства древесины.

Исследованиями тепловых свойств древесины в различные годы занимались К.Р. Кантер [8, 9], А.П. Комиссаров [11], Г.С. Шубин и Э.Б. Щедрина [35, 36, 40, 42], Б.С. Чудинов [29, 30], Н.М. Кириллов [10], а среди зарубежных ученых - F. Kollmann, A. J. Stamm и многие другие.

Теплофизические свойства древесины характеризуются следующими параметрами:

удельная теплоёмкость С, кДж/(кг-град),

коэффициент теплопроводности X, Вт/(м/град),

коэффициент температуропроводности а, м2/с.

Свойства, определяющие влагопроводность древесины и ее тепломассообмен с агентом сушки.

Исследованием этих свойств древесины занималисьГ.С. Шубин [36, 38, 41], А.В. Лыков [13 14], П.С. Серговский [24], А.К. Пухов [20, 21], В.В. Сергеев [22], Ф.М. Полонская [18, 19], А.Г. Гороховский [5], Е.Е. Шишкина [34] и другие ученые.

Можно выделить следующие свойства, определяющие внешний и внутренний влагоперенос в древесине:

коэффициент влагопроводности ат, м2/с,

термоградиентный коэффициент 8, град-1,

коэффициент теплообмена а, Вт/(м2 * град),

коэффициент влагообмена (влагоотдачи) ат, м2/с,

критерий фазового превращения є.

Прочностные и реологические свойства древесины.

Прочностные свойства различных пород древесины, а также влияние на них температуры и влажности были весьма обстоятельно исследованы еще в 30-е - 50-е годы прошлого века [3, 6, 33 и др.].

Исследованием реологических характеристик древесины, необходимых для создания методов аналитического определения внутренних напряжений, занимались П.С. Серговский [23], Б.Н. Уголев [26, 27], Ю.М. Иванов [6], А.М. Боровиков [2], М.В. Николайчук [17], Г.С. Шубин [39], Н.В. Скуратов [25].

Основными параметрами, характеризующими прочностные и реологические свойства древесины, являются:

пределы прочности о.пр, Мпа,

модули упругости Е, Мпа.

Проанализировав имеющиеся в литературе данные по свойствам древесины, можно сделать вывод, что все они относятся к обычной нетермомодифицированной древесине и ограничиваются температурами нагрева 100-120°С.

Относительно этого диапазона температур (то есть, для стадии сушки), свойства древесины изучены достаточно хорошо, и для решения задач методами математического моделирования в литературе имеются необходимые данные.

К сожалению, этого нельзя сказать про исследование свойств древесины при более высоких температурах, теплофизические свойства термодревесины на сегодняшний день остаются практически неизученными. В литературе по этому вопросу данных практически нет.

Исследование свойств термодревесины.

Обращают на себя внимание исследования Казанского национального исследовательского технологического университета [1, 30 и др.].

Там была разработана установка по исследованию теплофизических свойств термомодифицированной древесины, с помощью которой экспериментально определены теплофизические свойства, такие как теплоемкость С, теплопроводность X и температуропроводность а, древесины разных пород - сосны (условная плотность 400 кг/м3), березы (условная плотность 500 кг/м3) и дуба (условная плотность 600 кг/м3), термомодифицированной при разных температурах - 180, 200, 220 и 240 °С.

В работе П.А. Кайнова [30] представлены зависимости теплофизических свойств термодревесины (теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность) - от температуры обработки.

Даны также трехмерные модели зависимости коэффициентов тепло- и температуропроводности термодревесины разных пород - от температуры обработки и текущей температуры материала,

Определена зависимость плотности древесины от температуры термомодифицирования и впервые определены зависимости теплофизических свойств термодревесины - от её текущей плотности.

Для удобства составления и использования математической модели процесса термического модифицирования древесины, все полученные зависимости теплофизических свойств термодревесины с помощью табличного редактора Microsoft Excel путем аппроксимации полученных экспериментальных точек были представлены в виде уравнений.

Кроме того, в КНИТУ были проведены исследования физикомеханических свойств термомодифицированной древесины, таких как:

ударная твердость,

предел прочности при сжатии вдоль волокон,

предел прочности при статическом изгибе.

П.А. Кайнов в своей работе [30] приводит графики изменения этих показателей в зависимости от времени и температуры обработки, а также трехмерное представление этих показателей и математические выражения, характеризующее их изменения в зависимости от режимов термомодифицирования.

Также было проведено исследование термомодифицированной древесины на биостойкость. Полученные результаты представлены в виде диаграмм, из которых видно, что хотя механические характеристики термодревесины с увеличением температуры и продолжительности обработки несколько снижаются, при этом существенно возрастает биостойкость материала. И уже после годовой выдержки во влажном грунте механические характеристики термодревесины становятся выше, чем у аналогично выдержанной натуральной древесины, поскольку прочность натуральной древесины падает почти вдвое, а прочность термодревесины практически не изменяется.

Список литературы

1. Ахметова, Д. А. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины: дисс. канд. техн. наук: 05.21.05 / Ахметова Дина Анасовна. - Казань, 2009. - 150 с;

2. Боровиков, А. М. Упругость, вязкость и пластичность древесины / А. М. Боровиков // Деревообрабатывающая промышленность. - 1970. - № 9. - С. 9 - 12;

3. Ванин, С. И. Таблицы физических и механических свойств древесины древесных пород СССР / С. И. Ванин, Л. А. Баженова, Н. Г. Прикот. - Л.: Гослестехиздат, 1934. - 256 с;

4. Влияние высокотемпературной сушки древесины сосны на ее физикомеханические свойства / Н. Л. Леонтьев, Н. В. Кречетов, Б. С. Царев, Р. П. Болденков // Деревообрабатывающая промышленность. - 1957. - № 6;

5. Гороховский, А. Г. Технология сушки пиломатериалов на основе моделирования и оптимизации процессов тепломассопереноса в древесине: дисс. ... д-ра техн. наук: 05.21.05 / Гороховский Александр Григорьевич. - СПб.: СПбГЛТА им. С.М. Кирова, 2008. - 263 с;

6. Иванов, Ю. М. Реологические параметры древесины и фанеры в условиях влажных деформаций / Ю. М. Иванов, Л. О. Лепарский // Тр. юб. науч.- техн. конф. ЦНИИМОД. - Архангельск 1968. - С. 72-84;

7. 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;

8. Кантер, К. Р. Исследование тепловых свойств древесины: дисс. . канд. техн. наук / Кантер Константин Рейнольдович. - М.: МЛТИ, 1954;

9. Кантер, К. Р. О тепловых свойствах древесины / К. Р. Кантер // Деревообрабатывающая промышленность. - 1957. - № 7. - С. 17-18;

10. Кириллов, Н. М. Расчет процессов тепловой обработки древесины при интенсивном теплообмене / Н. М. Кириллов. - М.: Гослесбумиздат, 1959. - 87с;

11. Комиссаров, А. П. Тепловые коэффициенты древесины лиственницы / А. П. Комиссаров // Деревообрабатывающая промышленность. - 1969. - № 6. - С. 9-10;

12. Кречетов, И. В. Сушка древесины / И.В. Кречетов. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 432 с;

13. Лыков, А. В. О предельных переходах системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса / А. В. Лыков // Инженерно-физический журнал. - 1973. - № 1, Т. XXIV. - С. 152-155;

14. Лыков, А. В. О системах дифференциальных уравнений тепломассо- переноса в капиллярно-пористых телах / А. В. Лыков // Инженерно-физический журнал. - 1974. - № 1, Т. XXVI. - С. 18-25;

15. Любимов, Н. Я. Теория и практика сушки дерева / Н. Я. Любимов. - М.: Гослестехиздат, 1932. - 368 с;

16. Никитина, Л. М. Термодинамические параметры и коэффициенты массопереноса во влажных материалах / Л. М. Никитина. - М.: Энергия, 1968. - 499 с;

17. ,Николайчук М. В. Исследование реологических показателей и режимов сушки древесины при низких температурах: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / Николайчук Михаил Васильевич. - М.: МЛТИ, 1973. - 21 с;

18. Полонская Ф. М. Исследование температурного поля влажных материалов в процессе сушки (период постоянной скорости) / Ф. М. Полонская // Журнал технической физики. - 1953. - № 5, Т. XXIII. - С. 796-801;

19. ,Полонская Ф. М. Тепло- и массообмен в период постоянной скорости сушки / Ф. М. Полонская // Журнал технической физики. - 1953. - № 5, Т. XXIII. - С. 802-805;

20. Пухов, А. К. Экспериментальное определение коэффициентов влагоотдачи древесины при сушке / А. К. Пухов // Известия вузов: Лесной журнал. - 1963. - № 5. - С. 109-117;

21. Пухов, А. К. Влагообмен древесины со средой в процессе конвективной сушки / А. К. Пухов // Деревообрабатывающая промышленность. - 1964. - № 8. - С. 12-14;

22. Сергеев, В. В. Повышение эффективности сушки пиломатериалов в камерах малой мощности: дисс. ... д-ра техн. наук / Сергеев Валерий Васильевич. - СПб.: СПбЛТА им. С.М. Кирова, 1999;

23. Серговский, П. С. Об упруго-пластических свойствах древесины в связи с напряжениями и деформациями при ее сушке / П. С. Серговский, В. Н. Быковский, В. О. Самуйлло // Деревообрабатывающая промышленность. - 1961. - № 6. - С. 3-6;

24. Серговский, П. С. Гидротермическая обработка древесины / П. С. Серговский. - М.: Лесная промышленность, 1975;

25. Скуратов, Н. В. Разработка рациональных режимов сушки пиломатериалов в камерах периодического действия: дисс. . канд. техн. наук / Скуратов Николай Владимирович. - М.: МЛТИ, 1983. - 257 с;

26. Уголев, Б. Н. Определение реологических показателей древесины / Б. Н. Уголев // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1963. - № 2. - С. 17- 19;

27. Уголев, Б. Н. Исследование влияния температуры и влажности на показатели реологических свойств древесины березы / Б. Н. Уголев, В. И. Пименова // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1963. - № 6. - С. 10- 12;

28. Уголев, Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения / Б. Н. Уголев. - М.: Лесн. пром-сть, 1975. - 384 с;

29. Чудинов, Б. С. Теоретические исследования теплофизических свойств и тепловой обработки древесины: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Чудинов Борис Степанович. - Л.: ЛТА им. С.М. Кирова, 1967. - 30 с;

30. Чудинов, Б. С. Теория тепловой обработки древесины / Б. С. Чуди-нов. - М.: -Наука, 1968. 255 с;

31. Чудинов, Б. С. Вода в древесине / Б. С. Чудинов. - Новосибирск: Наука, 1984. - 267 с;

32. Чулицкий, Н. Н. Исследование водопроводности и водопоглощаемости древесины различных пород / Н. Н. Чулицкий // Науч. тр. - М.: ЦАГИ, 1932. - 122 с;

33. Чулицкий Н. Н. Влияние влажности на свойства древесины / Н. Н. Чулицкий. - М.: Гослестехиздат, 1933. - 40 с;

34. Шишкина, Е. Е. Энергосберегающая технология конвективной сушки пиломатериалов на основе управляемого влагопереноса в древесине: дисс. ... д- ра техн. наук: 05.21.05 / Шишкина Елена Евгеньевна. - Архангельск: САФУ им. М.В. Ломоносова, 2016. - 336 с;

35. Шубин, Г. С. Исследование влияния различных факторов на тепловые свойства древесины / Г. С. Шубин, Э. Б. Щедрина // Материалы IV Всесоюзного совещания по тепло- и массообмену. - Минск: ИТМО АН БССР, 1972. - С. 285-289;

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

37. Шубин, Г. С. О влиянии породы древесины на ее равновесную влажность / Г. С. Шубин, А. В. Чемоданов // Науч. тр. - М.: МЛТИ. 1981. - Вып. 117. - С. 61-66;

38. Шубин, Г. С. Проектирование установок для гидротермической обработки древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1983. - 272 с;

39. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины (вопросы теории, методы расчета и совершенствования технологии): дисс. ... д-ра техн. наук / Шубин Григорий Соломонович. - М.: МЛТИ, 1985;

40. Шубин, Г. С. О коэффициентах переноса тепла и влаги в древесине / Г. С. Шубин // Деревообрабатывающая пром-сть. - 1989. - № 8. - С.10-13;

41. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром--сть, 1990. 336 с;

42. Щедрина, Э. Б. Исследование тепловых и влажностных характеристик древесины в условиях повышенных и пониженных температур: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / Щедрина Эмма Борисовна. - М.: МЛТИ, 1976. - 22c

Размещено на Allbest.ru