Общие понятия о способах повышения технических свойств древесины

Категория:
Производство древесных пластиков


Общие понятия о способах повышения технических свойств древесины

Древесина является одним из основных материалов, применяемых в народном хозяйстве. Области использования ее с развитием техники неуклонно растут и расширяются.

Основными предпосылками к широкому применению древесины являются — легкость обработки, малая теплопроводность и температуропроводность, низкий коэффициент температурного расширения, а также малый объемный вес при высоких механических свойствах. Во многих случаях коэффициент качества древесины, т. е. отношение показателей механических свойств ее к объемному весу, выше, чем у металлов.

Являясь прочным и легким материалом, древесина имеет существенные недостатки: неоднородность строения, неодинаковые физико-механические свойства при различных направлениях волокон, способность менять свои размеры и форму под воздействием влаги, а также плохую биостойкость.

Применяют различные способы повышения технических свойств древесины. Одним из таких средств является пластификация древесины, основанная на применении химического и пьезотермического (термическая обработка под давлением) воздействия на древесину.

В соответствии с современным учением об анатомическом строении древесины оболочка или стенки клетки образуются в процессе роста в результате химического превращения питательного вещества, находящегося внутри оболочки, в новые вещества, которые путем наслоения образуют стенки клеток, утолщая их. Эти химические вещества в основном состоят из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы.

Целлюлоза придает древесине прочность, упругость и химическую стойкость. Она обладает кристаллическим строением и коллоидными свойствами.

Лигнин вызывает явление одревеснения стенок клеток, обусловливает их повышенную хрупкость и твердость.

Слои стенок клетки, прилегающие к протоплазме, состоят из чистой целлюлозы. С течением времени со стороны протоплазмы она наслаивается и инкрустируется лигнином.

Гемицеллюлоза — вещество, не получившее полного превращения в целлюлозу. Гемицеллюлоза в химическом отношении неустойчива и механически непрочна.

Наружные слои двух соседних клеток, сильно лигнизирован-ные, обычно сливаются вместе при помощи особого межклеточного вещества, слабого механически и малоустойчивого химически.

Наиболее мощный слой в стенках клеток — средний; он главным образом и определяет качество древесины. Характер соединений в нем лигнина и целлюлозы своеобразен. Некоторые авторы сравнивают это строение с железобетоном. В данном случае целлюлоза рассматривается как арматура, а лигнин — как бетон.

Молекулы целлюлозы, в основном ориентированные своей большой осью по длине волокон, но расположенные к ним под некоторым углом, соединяясь в нити — мицеллы и более крупные комплексы — фибриллы, погружены в аморфную массу лигнина.

Целлюлозная часть, обладающая свойствами коллоида, может размещать между фибриллами, мицеллами и кристаллами воду и ионизированные растворы. В результате этого возникают электролитические явления. Жидкость раздвигает элементы целлюлозы, вызывая этим разбухание стенок клетки, и, следовательно, в той или иной степени ослабляет молекулярное сцепление. Таким образом, присутствие жидкости в межмицеллярном пространстве значительно снижает механическую прочность древесины и она деформируется.

Аморфная лигниновая часть, обладая свойствами коллоидов, менее гидрофильна и таких явлений не создает.

Воздействуя на древесину давлением, т. е. уплотняя ее, можно повысить ее объемный вес и механическую прочность. Улучшение механических свойств древесины путем ее уплотнения может происходить только при повышении пластичных свойств стенок клеток.

Под воздействием давления стенки клеток могут изгибаться и сжиматься, а в условиях различного состава в серединной пластинке во внутреннем слое могут происходить разрывы и расслоения.

Повышение температуры нагрева древесины при ее уплотнении увеличивает молекулярную подвижность элементов, но не уничтожает молекулярное сцепление.

Повышение температуры снижает также величину усилий необходимых для уплотнения древесины, и увеличивает ее пластичность.

Древесина, уплотненная без нагрева, под воздействием влаги разбухает, возвращаясь в первоначальное состояние.

В древесине, уплотненной при термической обработке, упругие деформации под воздействием влаги проявляются в значительно меньшей степени.

Процесс пьезотермической обработки древесины состоит из двух периодов: пластической деформации и собственно термической деформации.

В первый период повышения температуры нагрева древесины и давления создается возможность довести древесину до желаемого объемного веса благодаря пластической деформации, проявляющейся в процессе уплотнения.

Осуществление пластической деформации древесины происходит без разрушения ее при температуре нагрева в пределах 70—90° и при влажности древесины 10—16%.

При пластической деформации уплотненное состояние древесины нестабильно, неустойчиво, так как древесина под влиянием упругих деформаций, особенно проявляющихся под воздействием влаги, легко восстанавливает свои прежние размеры, теряя при этом все приобретенные в процессе уплотнения ценные качества.

При термической обработке уплотнение, достигнутое в период пластических деформаций, стабилизируется.

В этот период упругие деформации древесины частично переходят в пластические, а напряжения, возникшие в древесине в первом периоде обработки, погашаются.

По данным доктора технических наук проф. Н. Я. Солечника, химические процессы, происходящие в период термической обра-(ботки, выражаются в гидролизе легко гидролизуемой части полисахаридов, особенно пентозан, которые отчасти удаляются из древесины в виде фурфурола, а частично переходят из коллоидного состояния (в котором они способны разбухать с увеличением объема) в растворенное, при котором набухания при поглощении воды с увеличением объема не происходит.

Увеличение влажности древесины при ее термообработке усиливает распад гемицеллюлоз, являющихся наиболее гидрофильной частью древесины. Распад гемицеллюлоз связан с улучшением свойств древесины за счет снижения водопоглощения, а, следовательно, и разбухания. Сильно увлажненная древесина при пьезотермической обработке обугливается путем разложения моносахаридов, образовавшихся в результате гидролиза.

В сухой древесине гидролиз при термической обработке происходит менее интенсивно.

При термической обработке наиболее существенно может меняться в древесине содержание пентозан, которые входят в состав серединной пластинки. При сильном разрушении пентозан физико-механические свойства древесины ухудшаются.

Пьезотермическая обработка тонких пластин древесины (шпона) должна происходить значительно проще и результативнее, чем обработка цельной древесины в виде брусков, при которой трудно достигнуть равномерной влажности. Процесс пластической деформации в тонких листах происходит без заметных для глаза разрушений и более равномерно, чем в брусках. В тонких листах легко обнаруживаются дефекты древесины, и они теряют свое значение при прессовании плит из большого количества листов по толщине, в то время как в брусках не всегда можно обнаружить дефекты.

При прессовании шпона можно менять толщину пакета в широких пределах, что весьма затруднительно делать при прессовании брусков. Это дает возможность избавиться от большой разницы в удельном весе между отдельными листами в направлении прессования из-за так называемого перепада давления.

Эта разница в удельном весе по высоте брусков увеличивает остаточные напряжения в прессованной древесине. Удаление образующихся в период термической обработки временных напряжений у брусков сильно затруднено ввиду их большой толщины.

Пьезотермической обработкой можно достигнуть значительного уплотнения древесины в направлении прессования (до 60% начального размера). Но пьезотермообработанная древесина под воздействием влаги, так же как и натуральная древесина, разбухает, а в процессе сушки усыхает.

Значительного уплотнения древесины можно достигнуть другими путями. Так, например, Г. Г. Тутубалин предложил и разработал способ уплотнения древесины путем предварительной ее (до прессования) обработки в слабых растворах щелочей.

При выщелачивании древесины в растворе щелочи (3—5%) происходит омыление этерифицированных углеводов с переводом их в раствор кислотных радикалов в виде натриевых солей летучих кислот (ацетат натрия), в частности растворение гемицеллю-лозной части древесины, смол и жиров, а также лигнина.

Березовый лущеный шпон после выщелачивания и последующей сушки резко изменяет физико-химические и механические свойства: объемная усушка (уплотнение) достигает 30—35%, а объемный вес и пределы прочности его при растяжении увеличиваются по сравнению с невыщелоченным шпоном примерно в 1,5—2 раза. Выщелоченный шпон обладает в процессах водо-и влагопоглощения увеличенными линейными деформациями.

С точки зрения улучшения гидрофобных свойств пьезотермо-обработанной древесины особый интерес представляет способ пропитки древесины растворами синтетических фенол-формаль-дегидных смол резольного типа.

Сущность химического воздействия заключается в том, что смола, впитавшаяся и заполнившая капилляры древесины в процессе пьезотермической обработки, превращается в нерастворимое состояние. Отвердевшая, превращенная в гель смола препятствует проникновению воды в древесину. Кроме того, предполагается, что смола в древесине вызывает определенное химическое связывание гигроскопических веществ стенок клеток.

Указанные свойства синтетических смол послужили основой для изготовления из древесины материала, именуемого древесно-сл о исты ми пластиками. Таким образом, метод изготовления материала путем использования его пластических свойств является основным принципом, заложенным в основу производства древесных пластиков.

Первые работы по древесным пластикам были проведены в СССР в начале тридцатых годов Институтом пластмасс, Центральным научно-исследовательским лесохимическим институтом (ЦНИЛХИ), Всесоюзным институтом авиационных материалов (ВИАМ), изобретателем одного из видов древпластиков — балинита Г. Г. Тутубалиным, а в настоящее время ведутся Центральным научно-исследовательским институтом фанеры и мебели (ЦНИИФМ).


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум