ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ ПРОПИТКИ НА ТВЕРДОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ

 

Прокопович Б. В.,  Чопенко Н.Ф. (УкрГЛТУ,  г.Львов,  Украина)

 

In this work the results of a dependence of the static hardness from the impregnation depth have been researched.

 

Модифицирование древесины является одним из способов улучшения её свойств. Для модифицирования используют разнообразные пропиточные составы и способы пропитки, однако для его проведения необходимы значительные затраты, что влечёт за собой увеличение себестоимости продукции. Поэтому считается [1], что одним из перспективных направлений в области модифицирования является разработка рациональных технологий. В частности, иногда в изделиях из древесины достаточно изменить физические и механические свойства поверхностного слоя. В литературе [2] указано на возможность ограниченной пропитки, но вопрос о влиянии глубины проникаемости и концентрации используемого раствора на механические показатели поверхностного слоя и на некотором расстоянии к поверхности не рассматривался. Целью данной работы является экспериментальное подтверждение теоретически спрогнозированной необходимой глубины пропитки для получения древесного материала с качественными эксплуатационными характеристиками.

Свойства модифицированной древесины для одной и той же породы зависят от свойств модификатора, его количества и глубины проникновения. Следует отметить выборочный характер проникаемости пропиточных жидкостей в капиллярно-пористую  структуру древесины [3], поэтому в большинстве случаев свойства древесины улучшаются за счёт упрочнения наиболее слабых анатомических элементов. Во время ограниченной пропитки раствор проникает по толщине (или ширине) на различную глубину (рис. 1а). Степень пропитки по толщине Т образца колеблется в пределах S_max…0% (рис. 1б). Средняя глубина проникаемости раствора равна h_пр= (h_min+h_max)/2, где h_min, h_max ,  соответственно, минимальная и максимальная глубина пропитки.

а)                                                        б)

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 1- Схематическое изображение пропитанного образца (а) и распределения пропиточного раствора (б): 1- пропитанная зона, 2 – натуральная древесина

 

Изменение степени пропитки S на участке  h = h_maxt - h_mint обусловлено непрямолинейностью волокон, опережающим проникновением растворителя и диффузией пропиточного раствора в средину заготовки между операциями пропитывания и сушки. В поверхностном слое на глубине до 2 мм (в зависимости от породы древесины и наклона волокон) степень пропитки несколько большая по сравнению с остальной частью детали, поскольку волокна древесины на поверхности перерезаны, и раствор одинаково легко проникает в различные анатомические элементы древесины.

В равномерно пропитанной заготовке степень пропитки и физико-механические показатели практически одинаковые по всему объёму. Если же образец пропитан на определённую глубину, то свойства древесины зависят от места расположения в поперечном сечении. Например, во время определения статической твёрдости древесины, согласно [4], нагрузку воспринимает, в основном, поверхностный слой толщиной Т. Поэтому в деталях, упрочнённых на некоторую глубину, изменение статической твёрдости в различных точках зависит от расстояния до поверхности и до границы проникновения раствора. Прогнозированный характер изменения статической твёрдости образцов, пропитанных  на глубину h_пр, показан на рис. 2а. Величина   определяется экспериментально и зависит от глубины вдавливания шарика, степени наполнения и свойств модификатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2- Графики радиальной статической твёрдости: а – прогнозированный, 1 – S = f₁(h), 2 – H = f₂(h); б – по экспериментальным данным для древесины: берёзы, пропитанной на 5 мм растворами КФЖ концентрацией 20 % (1) и 33% (2), ольхи, пропитанной на 10 мм растворами КФЖ концентрацией 20 % (3) и 33 % (4)

 

В экспериментах исследована древесина ольхи и берёзы, плотность которой равна, соответственно, 520 и 630 кг/м³ при влажности 12 %. Подготовка, проведение эксперимента и статистическая обработка данных выполнены согласно рекомендациям [5]. Размеры образцов для испытаний - 50х50х50 мм, их годовые слои параллельны пластям. В качестве модификатора использованы растворы мочевиноформальдегидной смолы КФЖ (производитель Перечинский ЛХК) концентрацией 20 и 33%. Образцы пропитывали в экспериментальной лабораторной установке. Ольховые образцы пропитали на глубину 9…11 мм, а берёзовые - на 4…6 мм, применяя определённый режим пропитывания [5]. После пропитки древесину подсушивали до влажности 15…18%,  после чего осуществляли термообработку при температуре 130 ⁰С на протяжении 15 минут. Чтобы определить границу проникаемости, растворы карбамидоформальдегидной смолы подкрашивали. Посредине пропитанные образцы распиливали поперёк волокон и измеряли глубину пропитки лупой. Статическую твёрдость определяли в образцах из натуральной древесины на поверхности; из модифицированной древесины  - на поверхности и на расстоянии от поверхности 1, 2, 3, 4 мм для образцов, пропитанных на 5 мм; и   2, 4, 6, 8 мм - для пропитанных на 10 мм. Также определяли статическую твёрдость полностью пропитанных образцов. В каждом опыте сделано 10 измерений. Графические зависимости радиальной статической твёрдости изображены на рис. 2б. Величина статической твёрдости на поверхности древесины, пропитанной на 5 или 10 мм, равна значению твёрдости полностью пропитанной древесины. По мере приближения к границе проникновения раствора значения твёрдости уменьшается и практически равно значению твёрдости натуральной древесины на расстоянии 2…3 мм до непропитанной области. Коэффициент вариации статической твёрдости поверхностных слоев меньше, чем в средине древесины; при чём для древесины берёзы, пропитанной поперёк волокон, он больше, чем для ольхи, пропитка которой осуществлялась вдоль волокон. Это свидетельствует о том, что около границы проникновения раствора структура древесины менее однородна вследствие дефектов пропитки.

Экспериментальные данные, в основном, подтверждают теоретически прогнозированный характер изменения свойств пропитанной древесины. Для уменьшения расходов на модифицирование древесины и соответствующего уменьшения себестоимости изделий можно рекомендовать ограниченное пропитывание древесины. Качество деталей будет зависеть от качества пропитки, глубины проникновения раствора, его концентрации и последующей механической обработки древесины. Изготовленную таким образом древесину не следует использовать в условиях значительных перепадов влажности в связи с разным разбуханием пропитанной и непропитанной частей детали. Если древесина легко поглощает воду и повреждается биофакторами, необходимо центральную часть предварительно пропитать защитными средствами.

 

Литература

1. Шамаев В. А., Лихачева Л. Б. Некоторые направления модифицирования древесины в ХХІ веке // Материалы междунар. конф. «Интеграция фундаментальной науки и высшего образования по проблемам ускоренного воспроизводства,  использования и модификации древесины». -   Том 2. -  Воронеж: ВГЛА.  - 2000. -  С. 227-230.

 2. Серговский П.С., Расев А.И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / Учебник для вузов. – М.: Лесн. пр-сть, 1987. – 360 с.

3.  Харук Е.В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. - Новосибирск: Наука, 1976. – 190 с.

4. Божок О.П., Вінтонів І.С. Практикум з деревинознавства та лісового товарознавства. – Львів: ЛЛТІ, 1992.  - 115 ст.

5. Леонтьев Н. Л. Техника испытаний древесины. -  М: Лесн. пром-сть, 1970. -   160 с.

6. Чопенко Н. Ф. Дослідження просочування деревини розчинами силікатів // Науковий вісник. –2001. - №11.2. -  С. 28-33.