3081

2

УДК 674.04

Шамаев, В.А. Физико-химические основы модификации древесины [Текст]: Методические указания для самостоятельной работы магистров заочной формы обучения по направлению подготовки 35.04.02 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств / В.А. Шамаев; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2015. - 41с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № от)

Рецензент директор ООО «Лигнум», к.т.н. И.Н. Медведев

3

Оглавление Введение ……………………………………………………………………… 4

1. Группы технологических процессов ………………………………… 4

2.Общие указания к изучению курса …………………………………... 6

3.Указания к определенным главам курса …………………………….. 7

3.1Введение ………………………………………………………………….. 7

3.2Получение модифицированной древесины химико-механическим способом и исследование ее свойств ………………….................................. 9

3.3Применение модифицированной древесины, экология и техника безопасности ………………………………………………………………….. 19

3.4Примеры решения задач по курсу ……………………………………... 21 Библиографический список …………………………………………………. 25

4

Введение

Под модифицированием древесины понимаются процессы направленного улучшения одних свойств древесины без ухудшения других свойств.

В курсе «Физико-химические основы модификации древесины» изучаются теория, технология, оборудование производственных процессов модифицирования древесины (прессование, сушка, пропитка), а также свойства модифицированной древесины различных марок.

Цель процессов модифицирования древесины - увеличение прочностных свойств, увеличение стабильности форм и размеров, пластификация, улучшение текстуры и придание новых свойств.

1.Группы технологических процессов

По отдельным группам технологических процессов эти цели сводятся к следующему:

1.1При пластификации древесины:

-уменьшение твердости, что приводит к снижению усилий прессования;

-увеличению подвижности отдельных анатомических элементов древесины, связанное с разрывом водородных и сложноэфирных связей между целлюлозой и лигнином.

Способы пластификации могут быть:

-нагревание древесины конвективным или контактным способом, а также токами СВЧ;

-пропаривание перегретым паром;

-насыщение древесины пластификаторами (водной или жидкий аммиак, карбамид, дициандиамид, ангидрид масляной кислоты).

1.2При прессовании древесины механическим сжатием или сушкой под давлением:

а) увеличение прочности и износостойкости; б) увеличение статической и динамической твердости; в) увеличение модулей плотности и сдвига;

г) увеличение технологических и эксплуатационных показателей свойств.

5

1.3При пропитке древесины могут быть использованы способы вымачивания, горяче - холодной ванны, автоклавная пропитка, аэрозольная пропитка обработка, ультразвуком.

При этом достигаются следующие результаты:

-введение в древесину пластификаторов, упрочнителей, стабилизаторов размеров, красителей;

-реверсивная пропитка с торца под давлением изменителями текстуры древесины;

-вакуумная пропитка тетракарбонилом никеля, увеличивающем теплопроводность древесины; -защита древесины от гниения, возгорания путем введения антисептиков и антипирентов;

-увеличение антифрикционных свойств введением масел и других наполнителей;

-придание новых свойств за счет введения аморфной, фибриллярной и нанокристаллической целлюлозы.

1.4При воздействии на древесину электрических и магнитных полей, ультразвуковых волн достигается:

-размягчение древесины за счет дезинтегрирования кристаллической решетки целлюлозы в результате обработки ультразвуком;

-упрочнение древесины за счет поперечной сшивки по свободнорадикальному механизму при воздействии слабых импульсных магнитных полей;

-способность древесины насыщаться наноцеллюлозой в ультразвуковой пропиточной установке;

-активация наноцеллюлозы и красителей в древесине при воздействии сильных магнитных полей;

-возникновение новых свойств древесины, например, «эффекта памяти» при воздействии электрических полей и плазмы.

Процессы модификации древесины имеют очень большое значение как для деревоперерабатывающей промышленности, так и народного хозяйства в целом, т.к. позволяют экономить для страны древесину ценных пород, черные и цветные металлы, пластические массы, текстолит, древесно-слоистые пластики, фанеру и другие материалы.

Процессы модифицирования древесины имеют важное значение при создании новых конструкционных материалов для домостроения, оборонной промышленности и сельскохозяйственного машиностроения, т.к. вновь соз-

6

даваемые материалы с требуемым набором показателей свойств позволяют качественно изменить структуру этих материалов и создать новое поколение конструкций будущего.

Без специальных знаний и высокой квалификации обслуживающего персонала, занятого при проведении технологических процессов модифицирования древесины невозможно рациональное выполнение операций, правильная эксплуатация применяемого сложного и дорогостоящего оборудования, достижение необходимых показателей физико-механических и эксплуатационных характеристик модифицированной древесины. Это ставит цехи и заводы модифицирования древесины в число наиболее ответсвенных процессов в деревопереработке.

2. Общие указания к изучению курса

Явления и закономерности модифицирования древесины многообразны и сложны по своему физическому содержанию. Оборудование для их практического проведения и его эксплуатации обладают рядом специфических особенностей.

Для успешного изучения настоящего курса, кроме общетехнических дисциплин, магистр должен знать древесиноведение, гидротермическую обработку древесины, химию, станки и оборудование деревообрабатывающих производств, сопротивление материалов, теплотехнику, лесопильное производство.

Общий объем курса по учебному плану 70 часов из них: 58 ч. – самостоятельное изучение; 6 ч. – 3 лекции;

6 ч. – лабораторных работ в период экзаменационной сессии. Примерное содержание установочных лекций и количество часов, от-

веденных на них в период экзаменационной сессии.

1.Классификация способов модифицирования древесины. Термомеханическое модифицирование древесины – 2 часа.

2.Химико-механическое модифицирование древесины – 2 часа.

3.Химическое, термохимическое модифицирование древесины. Свойства модифицированной древесины. Области применения модифициро-

7

ванной древесины. Техника безопасности и охрана труда при модифицировании – 2 часа.

Содержание лабораторных работ определяется программой:

1.Одноосное прессование древесины – 2 часа.

2.Сушка под давлением в установке СПК-1 – 2 часа.

3.Пропитка в ультразвуковой установке – 2 часа.

Курс изучается путем:

а) самостоятельной проработки курса лекций и учебных пособий со-

гласно программе; б) установочных лекций во время сессионных занятий;

в) практических и лабораторных занятий.

Одновременно с самостоятельным изучением курса магистр заочной формы обучения выполняет контрольную работу, в которой он должен представить решение задач с подробным объяснением.

Контрольная работа должна быть выслана в вуз заблаговременно.

В период очной сессии студент слушает лекции, выполняет лабораторные работы, сдает зачет по курсу.

3. Указания к отдельным главам курса

3.1 Введение

Цель дисциплины «Физико-химические основы модификации древесины» - подготовка инженеров-технологов и бакалавров по направлению подготовки 250400 в области организации и проведения технологических процессов сушки, тепловой обработки и пропитки древесины, широко используемых в деревообрабатывающей промышленности и направленных на придание древесины требуемых технологических свойств: обеспечение ее размерно- и формоустойчивости, повышение прочности и долговечности, а в конечном итоге – на улучшение качества изделий и сооружений из древесины, продление сроков их службы и рациональное использование древесного сырья.

Задачи дисциплины – изучение теории процессов прессования, сушки и пропитки древесины, современной технологии этих процессов, оборудования

8

прессовых, сушильных и пропиточных устройств, их эксплуатации и проектирования.

Врезультате изучения дисциплины студент должен знать:

-классификацию способов, цели и задачи модифицирования, основные термины и определения:

-теоретические основы модифицирование древесины (теория П.Н. Хухрянского, В.А. Шамаева, Г.М. Шутова, К.П. Швалбе):

-стандартизацию, сертификацию и метрологию в области модифицирования древесины:

-способы модифицирования древесины:

-физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства модифицированной древесины:

-технологию прессования, пропитки и сушки древесины:

-оборудование для производства модифицированной древесины и изделий из нее:

-технико-экономическую эффективность производства и применения модифицированной древесины в различных отраслях:

-режимы технологических операций модифицирования, методы их контроля и регулирования.

Студент должен уметь:

-определить параметры процессов модифицирования древесины, в т.ч. по диаграмме , Idдиаграмме, уравнениям пропитки:

-рассчитывать продолжительность процесса прессования с одновременной сушкой, степень прессования:

-рассчитать количество и расход модификатора при пропитке древесины:

-назначать режим и рассчитывать продолжительность процессов в различных способах модифицирования древесины по кривым изменения параметров:

-оценивать результаты модифицирования по показателям свойств получаемого материала путем измерения плотности, влажности, прочности, формоизменения:

-планировать работу цехов по производству изделий из модифицированной древесины.

9

3.2Получение модифицированной древесины химикомеханическим способом и исследование ее свойств

Из известных способов модифицирования древесины наиболее перспек-

тивным является химико-механический /1,2/, т.к. при его реализации исполь-

зуются все известные технические приемы модифицирования (пропитка,

сушка, прессование) и при модификации затрагиваются все уровни строения древесины ( ультрамикромикро- и макроструктура). В качестве пластифика-

тора используется чаще всего водный раствор карбамида, в качестве стаби-

лизатора форм и размеров модифицированной древесины форконденсат кар-

бамидоформальдегидного олигомера (КФК-10), в качестве упрочнителя-

карбамидоформальдегидную смолу (ПКП-32) /3,4/. Получаемый материал обладает высокими прочностными свойствами, достаточно стабилен в среде с переменной влажностью, а для его получения используется древесины мяг-

ких лиственных пород /5,6/.

Для упрочнения древесины тополя, осины, ольхи, эвкалипта, березы при-

меняются либо прессование, либо введение упрочнителей. При прессовании увеличивается плотность, а, следовательно, линейно увеличивается проч-

ность (если прессование не ведет к микроразрушениям древесины), причем увеличение степени прессования на 1% дает, в среднем 0,9% увеличения прочности. Введение упрочнителей, таких как мономеры и олигомеры синте-

тических смол, кремнийорганические жидкости и др. увеличивает прочность на 0,5-0,8% из расчета на содержание в древесине 1% упрочнителя. Учиты-

вая, что упрочнители в 3 – 6 раз дороже самой древесины, становится оче-

видным, что известные упрочнители малопригодны для модифицирования.

Недостатком упрочнения методом прессования является то, что оно сопро-

вождаются уменьшением объема. Так, для получения модифицированной древесины с прочностью дуба тополь необходимо уплотнять на 50% (умень-

шение объема в два раза), осину, ольху, эвкалипт на 40%, березу на 30%.

10

Кроме того, прессование древесины ограниченно определенным пределом,

т.е. плотностью древесинного вещества.

Наилучшим вариантом было бы сочетание прессования с применением уп-

рочнителя, введение которого в количестве 1% увеличивало бы прочность на

10%. Такими свойствами обладают наноматериалы, в частности, нанокри-

сталлическая целлюлоза, используемая для упрочнения клеевого шва фане-

ры и других склеиваемых древесных материалов /7,8/. Сама по себе нанокри-

сталлическая целлюлоза (НКЦ) малоактивна и для ее активации используется ультразвук и импульсное магнитное поле /8/. Попытки увеличить прочность плитных материалов и цельной древесины с помощью НКЦ особого эффекта не дали.

Новые возможности упрочнения древесины открылись с получением на-

нофибрилляной целлюлозы (НФЦ). Как показали предварительные экспери-

менты, НФЦ, как, и НКЦ, неактивна, но для ее активации применение ульт-

развука и импульсного магнитного поля неэффективно из-за отсутствия кри-

сталлической решетки. НФЦ используют в виде 2% -ного гидрогеля, т.е. 98% состава составляет вода. Воду активируют намагничиванием до аналита с рН 2,5-3 и, следовательно, активизируется НФЦ /9/.Таким образом, сущ-

ность предлагаемого способа заключается в пропитке древесины гидрогелем активированной НФЦ с последующим прессованием.

Методика эксперимента.

Приготовление пропиточного раствора.

Двухпроцентный гидрогель НФЦ активизируется намагничиванием на установке СТЭЛ-49 в течение 10 мин. до получения аналита с окислительно-

восстановительным потенциалом 600-900 мВ и рН=2,5.

Подготовленную смесь используют для приготовления пропиточного раствора, содержащего 30% карбамида, В пропиточный раствор добавляют форконденсат карбамидоформальдегидного олигомера (КФК). КФК-10 гото-

вится следующим образом.