УДК 535-31

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

 

INVESTIGATIONS OF ULTRAVIOLET RADIATION EXPOSURE ON WOOD PROPERTIES

 

Пузаков В.Е., Сафин Р.Р., Губернаторов В.В. (Казанский национальный исследовательский технологический университет, г.Казань, РФ)

 

Puzakov V.E., Safin R.R., Gubernatorov V.V. (Kazan national research technological university, Kazan, Russian Federation)

 

В статье рассмотрена целесообразность использования предварительной обработки древесины ультрафиолетовым излучением перед ее дальнейшим использованием.

The article considers the expediency of using preliminary treatment of wood with ultraviolet radiation before its further use.

 

Ключевые слова: УФ-активация, кислотно-щелочной подход, динамический угол смачивания

Key words: UF-activation, acid-base approach, dynamic angle of wetting

 

Были взяты образцы двух пород древесины, сосны и бука, которые в дальнейшем подверглись воздействию ультрафиолетового излучения при 20◦C и 40% относительной влажности воздуха. Сосна была выбрана, по критерию того, что это одна из самых широко применяемых в промышленности хвойная порода древесины в Республике Татарстан. С другой стороны бук был выбран за его гидрофобные свойства, которые снижают способность к пропитке и склеиванию, таким образом ограничивая промышленное применение данной породы древесины. Для того чтобы учитывать химические и структурные изменения между различно ориентированными поверхностями древесины, были исследованы смачивающие и адгезионные свойства обеих поверхностей. Проверку смачивающих свойств поверхности различными жидкостями проводили на поздней древесине, но для очень узких участков поздней древесины не было возможности избежать движения жидкости и контакта ее с ранней древесиной. Все краевые углы смачивания были измерены вдоль направления волокон.

Все древесные поверхности были отшлифованы наждачной бумагой с размером зерна 400 мкм. Во время процесса шлифования происходит образование крошечных древесных частиц, которые трудно удалить с поверхности [1]. В большинстве случаев они остаются на поверхности и препятствуют пропитке и проникновению клея в древесину [2,3]. Поэтому, после шлифовки поверхности, образцы были очищены с помощью потока воздуха под высоким давлением, далее помещены в климатическую камеру при температуре 20◦C и относительной влажности воздуха 65% и доведены до равновесной влажности 12%.

Для УФ-обработки использовалась ртутная газоразрядная лампа с колбой из кварцевого стекла. Измерения проводились при расположении лампы от поверхности древесины на расстоянии 11 см, интенсивность падающего излучения составляла 200-400 Нм, а поверхность плотности теплового потока составила 346 Вт/м2. Общее облучение (Дж/см2) было рассчитано как произведение мощности источника излучения на время обработки (табл. 1).

 

Таблица 1 - Время обработки и общее облучение (Дж/см2)

Время  обработки (мин)

0.5

1.0

5.0

15

30

60

90

120

150

180

Общее облучение (Дж/см2)

1.0

2.1

10.4

32

62

125

187

249

311

375

 

После УФ-обработки образцы снова доводили до равновесной влажности и погружали в дистиллированную воду, после чего были выявлены изменения в смачиваемости модифицированных образцов, которые отображены на рис. 1.

Эффекты воздействия УФ облучения на изменение химической структуры поверхности древесины были проверены с использованием дисперсионных и полярных составляющих свободной энергии поверхности [3].

 

а)                                                         б)

Рисунок 1 - Изменение краевого угла смачивания воды с образцами                   (а) радиального и (б) тангенциального разрезов древесины сосны и бука в зависимости от общего УФ-облучения.

 

Свободная поверхностная энергия твердых материалов не может быть измерена непосредственно, она рассчитывается на основе краевого угла смачивания поверхности различными жидкостями. Основная задача при анализе свободной энергии поверхности - правильно подобрать тестовые жидкости и метод расчета, чтобы получить максимально достоверные результаты.

Результаты изменения краевого угла смачивания дистиллированной водой на необработанной и модифицированной УФ деревянных поверхностей показаны на рис. 1. Увеличение угла смачивания существенно для всех исследованных поверхностей и связано со временем обработки и поглощенным УФ-излучением. При полном ультрафиолетовом облучении 62 Дж/см2 краевой угол смачивания уменьшается в среднем на 36% на образце древесины сосны радиального разреза. При полном облучении 375 Дж/см2 краевой угол смачивания составляет примерно 35 % от изначального уровня, что отображено на рис. 2. Максимальная смачиваемость образцов с радиальным разрезом древесины сосны достигается через 1,5 часа УФ обработки (то есть 187 Дж/см2), в то время как образцы с радиальным разрезом древесины бука достигают того же улучшения смачиваемости спустя 2,5 часа обработки (то есть, 311 Дж/см2) вследствие более высокой плотности, что отображено на    рис. 2. Тангенциальные поверхности древесины обоих пород, показали схожие результаты модификации с радиальными плоскостями [4].

Рисунок 2 - Изменение краевого угла смачивания жидкостей с образцом радиального разреза древесины сосны в зависимости от общего УФ-облучения

 

Таким образом, уменьшение угла смачивания с полярными жидкостями (вода и формамид) на модифицированных ультрафиолетом образцах является явным признаком увеличения полярной свободной поверхностной энергии [5,6].

Поскольку измерение угла смачивания дистиллированной водой радиального и тангенциального разреза обоих пород древесины показали такую же тенденцию, предполагается, что изменение свободной поверхностной энергии также должно следовать аналогичным результатам. Таким образом, свободная потенциальная энергия тангенциального разреза древесины была установлена только для необработанных образцов и образцов, обработанных 375 Дж/см2 от общего облучающего воздействия. Для образца радиального разреза древесины сосны испытательные жидкости показали большое снижение угла смачиваемости (в 3 раза, рис. 2), в то время, как измерение углов смачивания образцов тангенциального разреза древесины сосны, а также на обеих поверхностях древесины бука было снижено лишь на 50 % (рис. 3, 5).

Воздействие УФ-излучения является простым и эффективным способом улучшения смачиваемости поверхности древесины. Для того, чтобы достичь полного светового воздействия, при котором смачиваемость значительно возрастает (то есть, 311 Дж/см2), процесс УФ-активации должен быть оптимизирован, что возможно путем изменения расстояния между УФ-лампой и обрабатываемой поверхностью, или используя лампу с более высокой интенсивностью излучения.

При определенной интенсивности УФ-излучения поверхностная свободная энергия (γs), особенно ее базовый компонент(γs-), древесины значительно возрастает, что указывает на хорошие свойства поверхности активированного материала. После проведенных исследований был сделан вывод о том, что УФ-облучение обеспечивает очистку поверхности древесины, тем самым открывая поры из за этого происходит изменение в строении поверхности, а также в определенной степени изменению поверхностного химического состава.

 

Данная работа выполнялась при поддержке гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук     (МД - 5596.2016.8).

 

Список использованных источников

1. Сафин Р.Г., Сафин Р.Р. Перспективы развития лесопромышленного комплекса республики Татарстан на базе научных разработок кафедр лесотехнического профиля КНИТУ / Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин// Деревообрабатывающая промышленность, 2012. С.22-27.

2. Халитов Р.А., Байгильдеева Е.И., Сафин Р.Р., Белякова Е.А. Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древесины в жидкостях / Р.А. Халитов, Е.И. Байгильдеева, Р.Р. Сафин, Е.А Белякова// Вестник Казанского технологического университета, 2012. С.131-133.

3. Сафин Р.Р., Белякова Е.А. Экспериментальные исследования термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова//  Вестник Казанского технологического университета, 2011. С.241-245.

4. Сафин Р.Р., Кашапов Н.Ф., Канарский А.В., Разумов Е.Ю., Ахметова Д.А. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины / Р.Р. Сафин, Н.Ф. Кашапов, А.В. Канарский, Е.Ю. Разумов, Д.А. Ахметова// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2009. С.104-110.

5. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Г. Математическая модель процесса конвективной сушки пиломатериалов в разряженной среде / Р.Р. Сафин,  Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин// Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, 2006. С.64-71.

6. Сафин Р.Р., Разумов Е.Ю. Исследование термомодифицирования древесины в среде топочных газов / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов // Деревообрабатывающая промышленность. 2012. С.15-18.