ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ ВОСКОМ НА КАЧЕСТВО ДРЕВЕСИНЫ СОСНЫ И БЕРЕЗЫ

 

INVESTIGATION OF THE TREATMENT EFFECTS WAX ON THE QUALITY OF PINUS SYLVESTRIS AND BETULA

 

Карасова Т.И. (ФГБОУ ВПО «КГТУ», г. Кострома, РФ)

Karasova T.I. (Kostroma State Technological University)

 

Рассмотрен механизм взаимодействия между воском и компонентами древесины; физические и механические превращения древесины при обработке.

 

The mechanism of interaction between wax and components of wood; physical and mechanical transformation of wood processing.

 

Ключевые слова: древесина, свойства, строение, прочность, процесс

Key words:  wood, properties, structure, strength, process 

 

Для разных областей применения древесины должны быть разработаны критерии качества и методы их определения. Они могут включать измерение объективных показателей строения и свойств древесины, а также экспертную оценку и определение субъективных показателей качества древесины. Строение древесины исследуется на разных уровнях – от атомно-молекулярной до макроструктуры. Все шире применяются физические методы исследования древесины, основанные на использовании различных способов контроля качества древесины.

Костромская область на 74 % территории покрыта лесом. Основные породы, входящие в состав лесов это: сосна – 28% и  береза – 40%. Продукция, выпускаемая предприятиями Костромской области, использующие данные породы древесины в процессе производства, сталкиваются с различными проблемами, связанными с физическими свойствами древесины. Как выбрать правильный тенологический процесс изготовления продукции из массива древесины - задача №1 для любого руководителя предприятия.

В процессе изготовления мебельного щита, клееного бруса и другой клееной продукции, потери на производстве от различных дефектов (трещины, выпадающие сучки, непроклей и т.п.) составляют от 5% до 12% [1].

Любое изменение влажности древесины, находящейся в сухой или во влажной атмосфере, будет сопровождаться ее короблением, усушкой, а иногда и разбуханием. Поэтому, высушенная до определенной влажности древесина, а именно до 10÷11%, находясь в неблагоприятной среде, будет изменять свойства за счет своей гигроскопичности. Один из главных вопросов любого предприятия избежать возможных дефектов и обеспечить надежное качество готовой продукции.

В связи с использованием древесины в различных деревянных конструкциях необходимо учитывать показатели качества древесины. Среди научных направлений исследований, необходимо отметить такие как: механизм взаимодействия между водой и компонентами древесины; стабилизация размеров древесины; химические, физические и механические превращения древесины при обработке. Полученные результаты исследований обрабатываются с помощью статистических методов анализа, прогнозирования и моделирования процессов.

На первом этапе все отобранные образцы высушивались до абсолютно сухого состояния в сушильном шкафу ШС-1 при температуре 103±20С, в течение 6 часов.

На втором этапе исследований часть образцов кипятилась в течение часа, другая часть была разделена на две половины, одна из которых была обработана воском, а вторая оставалась чистой. Для определения режимов увлажнения, обе половины подготовленных образцов вымачивались в воде при t=20±2°С в течение 30 суток. В процессе увлажнения, образцы извлекались из воды, осушались чистой сухой тканью или фильтровальной бумагой и определялась масса и размеры образцов древесины сосны и березы, через интервалы: 1 сутки; 3, 6, 20, 30 суток.

Графики зависимости водопоглощения от времени выдержки образцов в воде представлены на рис. 1, 2.

 

Рисунок 1- Водопоглощения чистых образцов

Рисунок 2- Водопоглощения образцов, обработанных воском

Как видно из графиков, интенсивнее всего образцы поглощают воду в течение первых суток вымачивания. В зависимости от породы образцы набирают максимальное количество воды (40÷63%). Дальнейшее вымачивание в течение последующих суток поглощение воды образцами колеблется в пределах 2÷ 8%.

На основе анализа результатов исследований физических свойств древесины, выявлено, что древесина сосны относится к материалам с более стабильными показателями водопоглощения и разбухания, чем древесина березы. А для образцов, обработанных воском, значение показателей изменяются многократно по отношению к образцам без обработки. В связи с чем, для изготовления клееной продукции использование древесины сосны, обработанной воском,  является идеальным сырьем.

Стойкость древесины к прочностным показателям, при влажностных воздействия, определялась отношением прочности образцов, подверженных указанным воздействиям, к прочности контрольных образцов. Испытания проводились следующим образом.  Чистые образцы и образцы, обработанные воском, вымачивались в течение 30 суток в воде при t=20±2°С. По истечении 1, 3, 6, 20 и 30 суток, образцы извлекались из воды, осушались чистой сухой тканью или фильтровальной бумагой. Одну половину подвергали испытаниям в мокром виде, другую высушивали при t=20±2°С и относительной влажности воздуха 65±5% до достижения первоначальной влажности, а затем испытывали.

Кипячение образцов производилось в течение 1 час. После кипячения образцы охлаждали в течение 30 мин. в воде при t=20±2°С. Охлажденные образцы извлекали из сосуда, осушали и одну половину подвергали испытаниям в мокром виде, другую – высушивали при t=20±2°С и относительной влажности воздуха 55±5% до достижения первоначальной влажности, а затем испытывали.

Оценка качества механических свойств древесины заключалась в проведении исследовании по определению предела прочности образцов древесины на сжатие образцов вдоль волокон. 

При изменении влажности возникают напряжения, образующиеся в зонах  разрушения материалов, имеющих различные физико-механические свойства. Зоны концентрации напряжений могут являться местами начала разрушения  при действии влажностных напряжений, а также при сочетании их с напряжениями от внешней нагрузки. Вышеуказанное состояние явилось причиной некоторого снижения прочности соединений при переменных влажностных воздействиях.

Среднее значение прочности мокрых образцов сосны снизилось в 2,4 раза, березы - в 2,8 раза. Среднее значение прочности для образцов в сухом состоянии после обработки воском составило: для березы 71,5 МПа и увеличилось на 5,6 %, при этом для сосны снизилось на 5,8 % по сравнению с контрольными образцами.

Во влажном состоянии прочностные характеристики древесины, имеющей слабые молекулярные связи в поперечном направлении  при взаимодействии с молекулами воды, уменьшаются в значительной степени. Различие в микроскопическом строении древесины хвойных и лиственных пород, а именно наличие сосудов у лиственных пород позволяет проникать в полости сосуда молекулам воска, что придает ей еще большую прочность. Поэтому, обработка воском древесины березы позволит улучшить физико-механические свойства древесины. На основе результатов исследований физических свойств древесины выявлено, что древесина сосны относится к материалам со слабыми молекулярными связями между волокнами древесины.

На основе анализа результатов исследований механических свойств древесины, в частности прочности на сжатие вдоль волокон установлено, что древесина сосны, обработанная воском, имеет значительно высокие показатели прочности, в сравнении с чистыми образцами.

Установлено, что на прочность древесины оказывают влияние порода, влажность, направление волокон древесины, ее микроскопический элементный состав, а также процесс проникновения в древесину восковых частиц.

Испытания показали, что средняя прочность при сжатии древесины вдоль волокон для сосны составила 50,88 МПа при справочных данных 50,5 МПа [3]; для березы соответственно 67,7 МПа и 55,4 МПа [3] при нормализованной влажности.

Динамика изменения прочности древесины сосны и березы представлена в табл. 1.

 

Таблица 1 - Динамика изменения прочности древесины сосны и березы

Наименование показателей

СОСНА

БЕРЕЗА

Чистые образцы во влажном виде

Образцы, обработанные воском в сухом виде

Чистые образцы во влажном виде

Образцы, обработанные воском в сухом виде

Изменение водопоглощения,

W,%

11,47

0,76

22,59

1,11

Изменение      прочности,

∆σ, МПа

2,4

-0,94

2,8

+3,8

 

Список использованных источников

  1. Уголев, Б.Н. Древесиноведческие проблемы на форумах 2010 г. / Б. Н. Уголев // Деревообрабатывающая промышленность. – 2010. – №3. – С. 20–22.    
  2. Станко, Я.Н. Древесные породы и основные пороки древесины. Иллюстрированное справочное пособие для работников таможенной службы / Я.Н. Станко, Г.А. Горбачева; под ред. Н.М. Шматкова, А.В. Беляковой; Всемирный фонд дикой природы (WWF). – М., 2010. – 155, [1] с.
  3. ГОСТ 16483.10. Древесина. Методы определения предела прочности при сжатии вдоль волокон. – Введ. 1974-07-01. – М.: Изд-во стандартов, 1978. – 71 с.
  4.  ГОСТ 16483.8. Древесина. Методы определения усушки и разбухания. – Введ. 1974-07-01. – М.: Изд-во стандартов, 1978. – 71 с.
  5. ГОСТ 16483.20. Древесина. Методы определения водопоглощения. – Введ. 1974-07-01. – М.: Изд-во стандартов, 1973. – 39 с.