ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ВЛАГИ В ДРЕВЕСИНЕ

 

EXPERIMENTAL STUDY OF THE STATE OF MOISTURE IN WOOD

 

Борисов В.М. (НЛТУ Украины, Львов, Украина)

Borisov V.M. (UNFU, Lviv, Ukrane), borusov@i.ua

 

В этой статье коротко описаны отдельные положения о состоянии влаги в древесине, экспериментально установленные при испытаниях возможностей разработанного диэлькометрического импульсного метода.

 

This article briefly describes the specific provisions on the status of  moisture in wood, experimentally determined in tests of the developed dielcometric pulse method.

 

Ключевые слова древесина, адсорбированная, микрокапиллярная, свободная влага

Key words: wood, adsorbed, micro-capillary, free water

 

По словам Чудинова Б.С. связанная влага влияет на все свойства древесины. Однако известные средства контроля фазового состояния влаги не эффективны в технологических процессах деревообработки из-за большого времени анализа, сложности и высокой стоимости оборудования, а также высокой чувствительности к факторам шума, вибраций, запыленности [1]. Даже в лабораторных исследованиях наблюдается недостаток экспериментальных данных, однозначно устанавливающих справедливость опорных положений теорий сорбции.

В НЛТУ Украины был разработан и испытан диэлькометрический импульсный метод (ДИМ), позволяющий расширить возможности контроля влажности в пористых материалах. Этот метод даёт возможность определять состояние каждой фазы влаги материала отдельно. В результате влага древесины характеризуется не одной, а пятью независимыми величинами.

Первичные испытания возможности применения разработанного ДИМ позволило получить экспериментальные подтверждения отдельных положений теорий сорбции и установить новые зависимости между параметрами влажной древесины.

Одним из основных положений полимолекулярной теории сорбции (БЭТ) является предположение о том что, причиной второго перегиба S-образной изотермы является возникновение в пористом материале микрокапиллярной влаги. Классическим диэлькометрическим методом и методами ЯМР было установлено, что микрокапиллярная влага присутствует в древесине при её влажности выше 5% [2]. Однако второй перегиб изотермы сорбции древесины наблюдается при значительно более высоких значениях влажности материала.

Экспериментальное исследование средствами ДИМ позволило не только уточнить границу присутствия микрокапиллярной влаги в древесине, но и получить регрессионные зависимости количества адсорбированной и микрокапиллярной влаги в древесине от влажности и температуры среды. По результатам этого исследования в диапазоне температур от 10 до 90°С микрокапилярная влага образуется в древесине при влажности среды начиная с 70%. Влажность древесины при этом составляет от 10 до 15% в зависимости от температуры (понижение температуры приводит к уменьшению влажности древесины, при которой происходит конденсация). Полученные результаты согласованы с диаграммой равновесной влажности древесины и подтверждаются условиями возможного поражения древесины грибковыми организмами, для развития которых необходима жидкая влага (в данном случае микрокапиллярная). Используя полученные зависимости, были рассчитаны количества адсорбированной и микрокапиллярной влаги в гигроскопически насыщенной древесине. По полученным оценкам из 30% общей влажности древесины около 17,5% составляет адсорбированная влага. Примечательно, что данная оценка получена исходя не из теоретических предположений о природе сорбции, а на основании результатов экспериментальных исследований.

По результатам исследования количества микрокапиллярной влаги в древесине был сделан вывод о квадратичной зависимости её от температуры, что обуславливает сильно выраженную линейную зависимость теплоёмкости древесины от температуры. Эта зависимость объясняется линейным изменением количества микрокапиллярной влаги, участвующей в фазовом переходе при изменении температуры. Линейность зависимости теплоёмкости от температуры является общим свойсвом для многих пористых тел и свидетельствует об определяющем значении микрокапиллярной фазы влаги в формировании эффективной теплоёмкости влажных пористых материалов.

Исследование мокрой древесины позволило подтвердить предположение академика Ребиндера об адсорбционной связи приповерхностного слоя воды на твёрдом теле. Была установлена зависимость количества воды со свойствами микрокапиллярной от количества свободной воды в древесине. Таким образом общеизвестное положение о неизменном количестве связанной воды в древесине при изменении количества свободной не получило экспериментального подтверждения.

Средствами ДИМ исследовалось наличие свободной влаги в древесине, выдержанной в среде с относительной влажностью 100% и был получен отрицательный результат. Чувствительность к свободной влаге в древесине применённых в этих экспериментах средств оценена на уровне десятых долей процента. Проверочный эксперимент заключался в выдерживании намоченной до 90% влажности древесины в эксикаторе с налитой на дно водой в условиях 100% влажности среды. Результаты эксперимента дали возможность утверждать, что в древесине, как в коже [3] и полимерах наблюдается эффект Шрёдера [4]. В результате выдерживания свободная влага покидает в виде пара древесину и увеличивает количество воды в емкости, а влажность древесины приходит к равновесному состоянию, в котором не содержит свободной влаги.

Результаты проведенных средствами ДИМ исследований дали возможность сделать вывод о зависимости фазового состояния воды в древесине от механических напряжений в этом материале. Растягивающие напряжения способствуют увеличению фаз воды более сильно связанных с древесиной, а сжатие приводит к увеличению количества свободной влаги. Это явление определяет различия в скорости сушки и степени сорбции нагруженной и ненагруженной древесины [5], и позволяет приблизится к объяснению гистерезиса сорбции.

Фазы воды в древесине отличаются не только скоростью испарения, но и электрической проводимостью. На рис. 1 показаны осциллограммы токов, походящих в образце древесины до и после его сжатия (напряжение 0,5 МПа) при разных формах напряжения. Изменение величины проводимости древесины под нагрузкой вызывает систематическую погрешность определения влажности материала электрическими влагомерами и объясняет существенную величину погрешности этих приборов [6, 7] при наличии внутренних напряжений. Это, безусловно, препятствует объективной оценке влажности древесины электрическими методами. Но, с другой стороны, использование ДИМ и определение фазового состава влаги в древесине открывает путь для оценки величины внутренних напряжений в этом материале.

Рисунок 1- Изменение величины тока через образец древесины при её сжатии

Рисунок 2- Изменения тока через образец, вследствие фазового перехода влаги

 

Известно, что время адсорбции газов твёрдыми телами измеряется секундами. При измерении этого времени трудно разделить время доступа сорбата к поверхности сорбента и длительность процесса сорбции. На рис. 2 показана осциллограмма изменения тока (проводимости) образца древесины ясеня при его разрыве.

 

 

В этом эксперименте связанная вода, содержащаяся в древесном веществе, освобождалась, заполняла поры древесины и увеличивала проводимость материала. На осциллограмме видны процессы:

o       развития трещины, связанного с уменьшением тока через образец;

o       разрушения образца с быстрым спадом растягивающего напряжения, спадом упругой деформации и таким же быстрым увеличением тока;

o       медленной упруго-пластической деформации образца после снятия в результате разрыва нагрузки, с соответствующим медленным изменением тока.

На приведенной осциллограмме разрыв образца вместе с фазовым переходом части связанной воды в свободную происходит за одну десятую долю секунды. Применение в подобном испытании устройства с нормированным временем изменения нагрузки позволит определить время фазового перехода воды в древесине с более высокой точностью.

Примеры использования ДИМ для исследования фазового состояния влаги в древесине убеждают в высокой эффективности метода, а доступность и простота оборудования расширяют возможности применения метода для контроля технологических процессов деревообработки.

 

Список использованных источников

1.    Борисов В.М. Способы экспериментального определения состояния влаги в древесине / В.М. Борисов // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. под общей редакцией Е.А. Памфилова – Брянск: БГИТА, 2013. – Вып. 36. – С.45-49.

2.    Физические основы взаимодействия древесины с водой/ Колосовская Е.А., Лоскутов С.Р., Чудинов Б.С. –Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989.– 216 с.

3.    Кавказов Ю.Л. Взаимодействие кожи с влагой. - М., 1952.

4.    Гагарин А.Н. Влияние агрегатного состояния воды (пар - жидкость) на набухание сшитых гидрофильных полимеров. Специальность 02.00.04 - физическая химия. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. –Москва, 2011.

5.    Борисов В.М. Експериментальна перевірка залежності електричного опору та втрат вологи від механічних напружень у процесі сушіння деревини/ В.М. Борисов, І.Р. Кенс, Б.П. Поберейко // Науковий вісник НЛТУ України : зб. наук.-техн. праць. - Львів: НЛТУ України. - 2012. – Вип. 22.5. - С.129-137.

6.    Оценка достоверности измерения влажности древесины хвойных пород различными методами и влагомерами, В.П.Голицын, к.т.н., доцент, главный специалист ООО «ВИТ-Агро», г.Барнаул, Россия; Н.В.Голицына, магистр, менеджер компании “ Toshiba ”, г. Нью-Йорк, США, Лесной эксперт N15.

7.    Accuracy of a capacitance-type and three resistance-type pin meters for measuring wood moisture content Philip J. Wilson, Forest products journal, vol. 49. no. 9.