3081
.pdfМинистерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Физико-химические основы модификации древесины
Методические указания для самостоятельной работы магистров заочной формы обучения по направлению подготовки
35.04.02 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств
Воронеж 2015
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.