Изменением 3 страница

Способность к поглощению влаги - отрицательное свойство древе­сины. Высушенная древесина в изделиях "дышит", изменяя содержание связанной воды при колебаниях температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Будучи помещенной в очень влажную среду, она сильно увлажняется, что ухудшает ее физико-механические характеристи­ки и приводит к ряду других нежелательных последствий. Создаваемые на поверхности деревянных деталей и изделий декоративные покрытия из ла­кокрасочных и пленочных материалов выполняют также влагозащитные функции. Однако более радикальное средство уменьшения гигроскопично­сти древесины - ее модификация путем пропитки искусственными смолами.

Разбухание. Повышение содержания связанной воды в древесине при выдерживании во влажном воздухе или воде сопровождается увеличе­нием линейных размеров и объема древесины. Это явление называется разбуханием. Таким образом, разбухание древесины - свойство, об­ратное усушке и подчиняющееся в основном тем же закономерностям.

Экспериментальное определения полного радиального, тангенциаль­ного и объемного разбухания проводят согласно ГОСТ 16483.35-80 и ГОСТ 16483.36-80, используя оборудование и процедуру (в иной последо­вательности), применяемые для определения усушки. Однако способы вы­числения показателей другие.

Полное разбухание, %, вычисляют, округляя результат до 0,1 % по формуле

(20)

где a_max - размер (объем) образца при влажности, равной или выше преде­ла насыщения клеточных стенок, мм (м³); a_min - размер (объем) образца в абсолютно сухом состоянии, мм (м³).

Следовательно, увеличение размеров образца относят к его исход­ному размеру в абсолютно сухом состоянии.

Коэффициент разбухания вычисляют, округляя результат до 0,01 % на 1 % влажности по формуле

, (21)

где W_п.н. - предел насыщения клеточных стенок (равный в среднем 30 %).

Как и для усушки, предусматривается возможность определения час­тичного разбухания древесины при увлажнении до нормализованной влажности (12 %). В этом случае разбухание, %, вычисляют по формуле

(22)

где а₁₂ - размер (объем) образца при нормализованной влажности, мм (м³).

При необходимости по аналогичной формуле (22) можно вычислить частичное разбухание в случае повышения влажности до любого другого значения, меньшего W_п.н..

Средние значения коэффициентов разбухания древесины основных пород в радиальном и тангенциальном направлениях, а также по объему приведены в табл. 15. Коэффициенты объемного разбухания можно опре­делить по формуле, аналогичной (13), но только со знаком "+" перед по­следним членом.

Так же как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдает­ся в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее - вдоль волокон.

Коэффициенты объемного разбухания коры, определенные методом высушивания, [36] оказываются выше, чем у древесины. Так, у сосны дре­весина имеет К_α, равный в среднем 0,51, а кора 0,66; у ели соответственно 0,5 и 0,79; у березы 0,64 и 0,92 % на 1 % влажности.

Разбухание древесины вызвано тем, что связанная вода, размещаясь в клеточных стенках, раздвигает микрофибриллы. Хотя в среднем между количеством поглощенной связанной воды и величиной разбухания суще­ствует прямая, близкая к линейной, зависимость, наблюдаются некоторые отклонения. Так, например, при сорбции в воздухе первых порций влаги, когда влажность увеличивается от 0 до 0,7 % у древесины лиственницы в тангенциальном направлении обнаружено [75] не увеличение, а уменьше­ние размеров образца ("отрицательное" разбухание). Строгая пропорцио­нальная зависимость отсутствует и при дальнейшем увеличении влажно­сти до 5 - 6 %, что связывают с контракцией системы древесина - вода. При более высокой влажности порядка 20 % Ю.М. Иванов наблюдал у образ­цов древесины сосны и бука вслед за увеличением размеров вдоль волокон их укорочение. Кривые зависимости усушки и разбухания от влажности не совпадают из-за гистерезиса разбухания (аналогичного гистерезису сорб­ции). Сложный механизм явлений разбухания пока еще полностью не вы­яснен.

С давних пор известна способность древесины при стеснении разбу­хания развивать большие давления: разбухающими от воды деревянными клиньями раскалывали камни. Первое научное исследование этого свойст­ва древесины провел еще в 1813г. В.В. Петров. В наше время определени­ем величины давления набухания, возникающего вследствие препятствий свободному увеличению размеров (объема) древесины при поглощении связанной воды, занимались Ю.М. Иванов, Т. Перкитный, Я. Рачковский, Г.С. Вердинын и другие исследователи.

Рис. 30. Схема прибора для измерения давления набухания древесины:

1- станина; 2 - стакан; 3 - рычаг; 4 - ось рычага; 5 - контргайка;

6 - упорный винт; 7 - инди­катор; 8 - риска на рычаге; 9 – призма;

10 - прокладка; 11 - образец

По стандартизованной методике (ГОСТ 16483.14-72) определение давления набухания проводят следующим образом. Два образца в виде призмы основанием 12x12 мм и толщиной вдоль волокон 8 мм, выпиленные из одного бруска, в сушильном шкафу доводят до абсолютно сухого состояния, охлаждают и испытывают в приборе, схема которого дана на рис. 30. Образцы 11 помещают в стакан 2. Поверх образцов размещают ме­таллическую прокладку 10 и призму 9. Ребро призмы должно находиться под риской 8 рычага 3, ось которого 4 заключена в шарикоподшипник. На рычаг у риски опирают штифт индикатора часового типа 7 с погрешно­стью до 0,001 мм. Рычаг прижимают к ребру призмы и закрепляют винтом 6. В стакан наливают воду и включают секундомер. Усилия, возникающие от стеснения деформаций разбухания, вызывают прогиб заранее тариро­ванного упругого элемента - рычага 3. Прогиб рычага составляет весьма небольшую долю от свободной деформации разбухания и не отражается существенно на величине измеряемого усилия. Испытания проводят до тех пор, пока приращение прогиба окажется меньше 4 мкм.

Зная тарировочный коэффициент, по прогибу рычага определяют ве­личину усилий и, разделив ее на суммарную площадь поверхности обеих образцов, вычисляют давление набухания в данный момент испытаний. По полученным данным строят график зависимости давления набухания от времени испытаний (рис.31). Показателем исследуемого свойства древе­сины служит максимальная величина давления набухания. На том же при­боре можно определить ход роста (кинетику) деформаций свободного раз­бухания в радиальном или тангенциальном направлениях.

Величина давления набухания некоторых пород по данным Ю.М. Иванова приведена в табл. 16. Давление набухания зависит от плот­ности древесины. Чем больше содержится в единице объема древесинного вещества, слагающего клеточные стенки, тем выше давление набухания. Расчеты показывают, что этот показатель для самого древесинного веще­ства может достигать нескольких десятков МПа. Поскольку измеряемое на образцах древесины давление набухания зависит от податливости клеточ­ных стенок, оно по крайней мере на порядок меньше.

В тангенциальном направлении у хвойных пород давление набуха­ния примерно в 1,5 - 2 раза выше, чем в радиальном (рис. 31). Такое же со­отношение характерно для некоторых лиственных пород (дуб). Однако для ряда рассеяннососудистых лиственных пород не наблюдается увеличения давления набухания в тангенциальном направлении по сравнению с ради­альным. Это указывает на то, что не только стесненная влажностная де­формация, но и жесткость древесины в данном структурном направлении определяет величину давления набухания. Об этом свидетельствует также уменьшение давления набухания при повышении температуры, что вызы­вает снижение жесткости древесины.

Древесина разбухает при поглощении не только воды, но и других жидкостей, причем величина разбухания прямо зависит от диэлектриче­ской постоянной жидкости. Например, при поглощении 30 % раствора формамида (диэлектрическая постоянная формамида в 1,35 раза больше,чем воды) разбухание березы в 1,2 раза больше, чем от воды, а при погло­щении ацетона, имеющего в 4 раза меньшую диэлектрическую постоян­ную, разбухание древесины сосны в 1,5 раза меньше, чем от воды. Практи­чески не вызывают разбухания древесины такие жидкости, как керосин, диэлектрическая постоянная которого в 40 раз меньше, чем у воды.

16. Давление набухания древесины некоторых пород, МПа

Порода, зона дре­весины	Средняя плотность в абс. сух. состоянии	Структурное направление	Температура, °С
18-20	83-86
Сосна. заболонь ядро ядро Лиственница: заболонь ядро Бук Ольха — " — Дуб: ядро ядро		Тангенциальное Тоже Радиальное   Радиальное — " — Тангенциальное Тоже Радиальное   Тангенциальное Радиальное	1,98 - -   0,74 0,91 3,87 1,86 1,42   3.10 1,54	0,94 1,44 0,76   - - 1,82 - -   - -

Разбухание древесины зависит от содержания и степени гигроско­пичности входящих в клеточные стенки компонентов. Большую роль игра­ет характер размещения и взаимосвязей компонентов древесины.

Способность древесины разбухать в некоторых случаях полезна, так как она обеспечивает уплотнение соединений в бочках, чанах, деревянных трубах, судах и т. д. Однако чаще всего из-за разбухания и связанного с ним коробления возникают серьезные затруднения при обработке и ис­пользовании древесины. Модифицирование древесины, уменьшающее ее гигроскопичность, снижает и разбухание.

Водопоглощение. Вследствие пористого строения при непосредст­венном контакте с водой древесина способна увеличивать свою влажность. Это свойство древесины называется водопоглощением. Макси­мальная влажность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из наибольших количеств связанной воды (предел насыще­ния клеточных стенок) и свободной воды. Количество свободной воды за­висит от объема пустот в древесине, поэтому чем больше плотность древе­сины, тем меньше ее влажность, характеризующая максимальное водопоглощение.

Максимальную влажность, %, определяют по формуле

(23)

где W_п.н. - влажность предела насыщения клеточных стенок, %, ρ_дв -плотность древесинного вещества, г/см; ρ₀ - плотность древесины в абсо­лютно сухом состоянии, г/см³; ρ_в - плотность воды, г/см³.

Первый член этой формулы характеризует максимальное количество связанной воды, второй - содержание свободной воды, заполняющей все пустоты в древесине.

Если неизвестно точное значение W_{п.н .},то максимальную влажность, %, можно вычислить по другой формуле.

(24)

где ρ_б - базисная плотность древесины, г/см.

Принимая плотность воды 1 г/см³ и используя средние значения ба­зисной плотности, получим по формуле (24) ориентировочные значения максимальной влажности древесины некоторых пород (табл. 17).

17. Максимальная влажность древесины при водопоглощении

Порода	Влажность, %	Порода	Влажность, %
Лиственница Сосна Ель Кедр (сосна кедровая) Пихта		Граб Дуб Береза Осина Тополь

Расчетные значения W_m экспериментальным путем, так как за время даже очень продолжительных опытов не все пустоты внутри древесины заполняются водой из-за наличия смолы, закупорки сосудов тиллами и т д

Скорость процесса водопоглощения зависит от размеров и формы образца: чем крупнее образцы, тем медленнее этот процесс Значительное время занимает выравнивание влажности по объему образца Образцы с развитой торцовой поверхностью поглощают воду достаточно быстро. Процесс водопоглощения ускоряется с повышением температуры Коли­чество поглощенной воды зависит от породы древесины, начальной влажности образца, анатомической зоны (заболонь поглощает больше воды, чем ядро)

Экспериментальным путем способность древесины к водопоглощению устанавливается согласно методу, регламентированному ГОСТ 16483.20-72. Образцы в виде призмы с основанием 20x20 мм и вы­сотой вдоль волокон 10мм высушивают до абсолютно сухого состояния. Затем образцы помещают стоймя под решетчатую вставку эксикатора с дистиллированной водой и выдерживают при 20±2 °С. Периодически об­разцы вынимают из воды, осушают поверхность фильтровальной бумагой и взвешивают в бюксах для определения текущей влажности в процессе водопоглощения. Первое взвешивание проводят после выдержки в воде в течение 2 ч, затем через 1, 2, 3, 6, 9, 13, 20 сут. после первоначального по­гружения, а далее - через каждые 10 сут. Опыт заканчивают, когда разница между двумя последовательными взвешиваниями окажется менее 0,05 г.

По результатам испытания строят график "влажность - время выдержки" (рис. 32). За показатель водопоглощения принимают максималь­ную влажность, достигнутую в процессе испытаний, продолжительность которых должна быть не менее 30 сут.

Представление о водопоглощении коры дают ориентировочные данные РТМ [26], полученные при выдержке в воде в течение 50 сут. (табл. 18).

18. Водопоглощение коры

Порода	Влажность, %	Порода	Влажность, %
Лиственница Сосна Ель Дуб Вяз		Береза Бук Клен Осина Тополь

Способность древесины поглощать воду, а также другие жидкости, имеет значение в процессах варки древесины для получения целлюлозы, при пропитке растворами антисептиков и антипиренов, при сплаве лесома­териалов и в других случаях.

Дата добавления: 2015-04-30