Термомеханическое модифицирование древесины
(прессование древесины)
Самый старый из известных способов модифицирования древесины. Прессованная древесина впервые была получена в Германии братьями Пфлеймер в 19151. под названием лигностон (дерево-камень).
Физическая сущность способа заключается в сжатии (прессовании)древесины под механическим давлением, при котором уменьшается ее объем и увеличивается ее плотность.
Древесина является пористым материалом и от 20 до 80 % ее объема, в зависимости от породы, занимает воздух. При сжатии древесины объем, занимаемый воздухом, уменьшается и, соответственно, увеличивается объем, занимаемый собственно древесным веществом. Наибольшее развитие прессование древесины получило в СССР, где учеными Н.Т. Нысенко, Б. Т. Ивом, В. Г.Матвеевым, П.Н. Хухрянским были разработаны теория и практика прессования древесины
Теория прессования древесины, сформулированная Хухрянским, включает 3 положения:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 4.2- Общая характеристика способов модифицирования древесины
1.Прочность древесины всех пород можно повысить путем ее уплотнения, т.е. за счет увеличения количества древесного вещества в единице объема, если это уплотнение не будет связано с разрушением клеток.
2. Прессование древесины следует производить поперек волокон, причем, все хвойные и лиственные кольцесосудистые породы следует прессовать в радиальном направлении, а лиственные рассеянно-сосудистые породы - в радиальном и тангенциальном направлении.
3. Прессовать древесину необходимо в размягченном состоянии с последующей сушкой и охлаждением деформированной древесины для закрепления ее формы. Деформирование древесины поперек волокон графически изображается диаграммой «деформация-напряжение».
Степень прессования рассчитывается по формуле:
, (4.1)
где h0 – начальная высота образца, мм; h1 – высота образца после прессования, мм.
Химико-механическое модифицирование древесины
Процесс модифицирования складывайся из ряда последовательных или совмещенных пропитки раствором, уплотнения сушки и термической обработки.
Пропитка
Основная цель: обеспечить равномерное распределение модификатора по длине и сечению заготовки. Интенсивность и качество пропитки зависит от породы древесины, ее начальной влажности, способов и параметров пропитки и т.д. Основной способ пропитки: выбрана пропитка в горячее - холодных ваннах, как наиболее простой и эффективный метод
При пропитке этим способом возможно использование свежесрубленной древесины (≥80%).
Содержание карбамида в древесине определяется по формуле
, (4.2)
где Q - прирост массы раствора, кг (увеличение массы раствора по отношению к абсолютно сухой древесине);
С - концентрация раствора, доли единицы
Формула справедлива для раствора С ≤51,6%
Максимально возможное количество введенного модификатора будет следовательно М=0,516 Q.
Плотность древесины после пропитки и сушки повышается.
Процесс пропитки древесины карбамидом может протекать либо по капиллярному механизму, если влажность древесины ниже точки насыщения волокна, либо по диффузионному, если влажность древесины выше точки насыщения древесного волокна.
Наиболее максимальная скорость пропитки достигается в первые сутки, затем она падает и остается на одном уровне. Для ускорения процесса пропитки свежесрубленной древесины на практике используют центрифугу, снабженную пропиточной емкостью. При вращении центрифуги с частотой вращения 60 мин-1. Из древесины вытесняется влага, и пропиточный раствор концентрацией 40 % проникает в древесину. Далее в течение 15 мин происходит фиксация карбамида на волокне, после чего частоту вращения увеличивают до 800 мин-1 и удаляют избыток раствора. Всякая пропитка сопровождается изменением ее объема, как показано в табл. 3.1. Анализ табл. 3.1 показывает, что при С=10% наблюдается процесс усушки древесины, сопровождающийся уменьшением объема. При дальнейшем увеличении концентрации карбамида в древесине происходит увеличение объема образцов.
Особенности сушки, пропитанной карбамидом древесины Установлено, что присутствие карбамида в древесине значительно меняет характер сушки вследствие того, что карбамид гидрофильный агент значительно замедляющий десорбцию влаги из древесины. Пропитанные образцы обезвоживаются значительно медленнее (на 50-60 %), чем непропитанные, но при этом влага в образцах, содержащих карбамид, распределяется более равномерно по сечению
Таблица 4.1 - Изменение объема древесины при пропитки, сушке,
термообработке
| Изменение объема по отношению к исходной древесине | Концентрация пропиточного раствора С,% | |||||
| 100 расплав | ||||||
| После пропитки | ||||||
| Сушки | -13 | -8 | -7 | -7 | ||
| Термообработки | -4 | -1 |
 |
i-+------------------ 1--- 1--- 1--- M
1 2 34 5 6 7 89 10 Время пропитки, сут.
Рисунок 4.3 - Скорость и продолжительность капиллярной (а) и диффузионной (б) пропитки в направлении: 1 - радиальном, 2 - тангенциальной, 3 - вдоль волокон
Таблица 4.2 - Послойное распределение влажности в образцах после сушки (начальная влажность 80 % )
| Вид образцов | Влажность по слоям, % | |||||
| 1 поверхность | 6 центр | |||||
| непропитанных | 3,1 | 6,8 | 9,8 | 18,5 | ||
| пропитанных | 13,1 | 14,0 | 15,0 | 16,2 | 18,9 | 21,9 |
Практика показывает, что для наступления интенсивного испарения связанной карбамидом влаги необходима более высокая температура, чем при сушке непропитанных образцов.
Поскольку сушка пропитанной древесины происходит медленнее сушки натуральной, целесообразно использовать способы, ускоряющие процесс сушки Одним из таких способов является сушка под повышенным воздушным давлением: древесину в течение 20-60 мин выдерживают при температуре 140-1500С и давлении -1,5-2 МПа, затем снижают давление до атмосферного и повторяют цикл до достижения требуемой влажности. Теплоперенос в данном случае происходит в основном за счет градиента давления. При давлении 1,5-2 МПа температура кипения воды выше 1800С и при сбросе давления до атмосферного происходит вскипание воды в древесине и ее удаление. Закономерности уплотнения древесины.
Уплотнение - важнейшая стадия получения модифицированной древесины (ДМ).
Пронина карбамидом позволяем снижать степень прессования для получения уплотненной древесины одной и той же плотности но сравнению с непропитанной. т.к карбамид является активным пластификатором древесины
Пучность древесины после пронижи и сушки рассчитывается по формуле
, (4.3)
где ρ - масса древесины до пронижи, кг; М - прирост массы карбамида в древесине, кг. V0 - объем древесины до пропитки, м3; ΔV -увеличение объема после пропитки и сушки, м
Степень прессования рассчитывают но формуле
, (4.4)
где ρ 
ρ/ - плотность древесины кг/м до и после прессования соответственно Преобразовывая, получим
, (4.5)
где Q - прирост массы раствора, кг; С - концентрация раствора доли единицы.
Рекомендуемая литература
Раздел 1 Станки и инструменты
Основная литература
1. Амалицкий, В.В., Оборудование отрасли [Текст]: учеб. для вузов / В.В. Амалицкий, В.В. Амалицкий. - М.: МГУЛ, 2006. - 600 с.
2. Любченко, В.И. Резание древесины и древесных материалов [Текст]: учеб. для вузов/ В.И. Любченко.- М.: «Лесная промышленность», 1986. - 300 с.
3. Ивановский, В.П. Бесстружечное резание древесины мягких пород [Текст]: учеб. для вузов/ В.П. Ивановский. - Воронеж: ВГУ, 2003. - 180 с.
Дополнительная литература
1. Маковский, Н.В. Теория и конструкция деревообрабатывающих машин [Текст]: учеб. для вузов/ Н.В. Маковский. - М.: «Лесная промышленность», 1990. - 600 с.
2. Манжос, Ф.М. Дереворежущие станки [Текст]: учеб. для вузов./ Ф.М. Манжос. - М.: «Лесная промышленность», 1974. - 450 с.
3. Грубее, А.Э. Дереворежущие инструменты [Текст]: учеб. для вузов. / А.Э. Грубее. - М.: «Лесная промышленность», 1971. - 340 с.
4. Зотов, Г.А. Подготовка к эксплуатации дереворежущего инструмента [Текст]: учеб. для вузов. / Г.А. Зотов, Ф.А. Швырев. - М.: «Лесная промышленность», 1986. - 300 с.
5. Морозов, В.Г. Дереворежущий инструмент [Текст]: учеб. для вузов. / В.Г. Морозов. - М.: «Лесная промышленность», 1998. - 340 с.
6. Ивановский, В.П. Процессы бесстружечного деления и формообразования древесины[Текст]: тексты лекций / В.П. Ивановский. – Вороне: ВГЛТА, 2002. - 51 с.
Раздел 2 Основные древесные породы
Основная литература
1. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения [Текст]: учебник / Б. Н. Уголев - М.: МГУЛ, 2006. - 340 с.
2. Курьянова, Т.К. Определитель основных древесных пород. Учебн. пособ. [Текст]:/ Т.К. Курьянова, Н.Е. Косиченко, А.Д. Платонов. – Воронеж, ВГЛТА. - 2002. – 69 с.
Дополнительная литература
1. Уголев, Б. Н. Древесиноведение коммерческих пород. [Текст]: учебное пособие / Б. Н. Уголев, Я.Н. Станко. - М.: Изд-во МГУЛ, 1997. - 97 с.
2. Боровиков, Л.М. Справочник по древесине [Текст] / Б. Н. Уголев, Л. М. Боровиков. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 294 с.
3. Курьянова, Т.К. Древесиноведение и лесное товароведение [Текст]: Методические указания к проведению лабораторных работ по физическим и механическим свойствам древесины / Курьянова Т.К., Н.Е. Косиченко, И.Н. Вариводина – Воронеж, ВГЛТА, 2001.- 39с.
4. Курьянова, Т.К. Программа и методические указания по организации самостоятельной работы студентов [Текст] / Курьянова Т.К., Н.Е. Косиченко. – Воронеж, ВГЛТА.- 9с
Раздел 3 Строение древесины. Лесные сортименты
Основная литература
1. Курьянова, Т.К. Микроскопическое строение основных типов древесины [Текст] : / Т.К. Курьянова, Н.Е. Косиченко, А.Д. Платонов. – Воронеж, ВГЛТА. - 2003. – 31 с.
2. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения [Текст]: учебник / Б. Н. Уголев - М.: МГУЛ, 2006. - 340 с.
Дополнительная литература
1. Уголев, Б. Н. Древесиноведение коммерческих пород. [Текст]: учебное пособие / Б. Н. Уголев, Я.Н. Станко. - М.: Изд-во МГУЛ, 1997. - 97 с.
2. Боровиков, Л.М. Справочник по древесине [Текст] / Б. Н. Уголев, Л. М. Боровиков. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 294 с.
3. Курьянова, Т.К. Древесиноведение и лесное товароведение [Текст]: Методические указания к проведению лабораторных работ по физическим и механическим свойствам древесины / Курьянова Т.К., Н.Е. Косиченко, И.Н. Вариводина – Воронеж, ВГЛТА, 2001.- 39с.
4. Курьянова, Т.К. Программа и методические указания по организации самостоятельной работы студентов [Текст] / Курьянова Т.К., Н.Е. Косиченко. – Воронеж, ВГЛТА.- 9с
Раздел 3 Модификация древесины
Основная литература
1. Шамаев, В.А. Модифицирование древесины [Текст]: учебное пособие / В.А. Шамаев – Воронеж, ВГЛТА, 2007. – 306с.
2. Рассев, А.И. Сушка древесины [Текст]: учебное пособие / А.И. Рассев - М.: МГУ леса, 2000. – 228 с.
Дополнительная
1. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения [Текст]: учебник для лесотехнических вузов. Изд.5-е, перераб. и доп. / Б.Н. Уголев - М.: МГУЛ, 2007. - 340 с.
2. Шамаев, В.А. Модифицирование древесины [Текст]:методические указания / В.А. Шамаев В.А.,И.С. Самодуров, Р.В. Скориданов. – Воронеж: ВГЛТА, 2005 – 18 с.
3. Шамаев, В.А. Модифицирование древесины [Текст]:тексты лекций / В.А. Шамаев. – Воронеж: ВГЛТА, 2002. -96с.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Технические паспорта