4149
.pdfМинистерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
Физико-химические основы модификации древесины
Методические указания для самостоятельной работы магистров очной формы обучения по направлению подготовки
35.04.02 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств
Воронеж 2015
УДК 674.04
Шамаев, В.А. Физико-химические основы модификации древесины [Текст]: Методические указания для самостоятельной работы магистровочной формы обучения по направлению подготовки 35.04.02 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств / В.А. Шамаев; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2015. - 41с.
Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № от )
Рецензент директор ООО «Лигнум», к.т.н. И.Н. Медведев
Оглавление
Введение ……………………………………………………………………… 4 1. Группы технологических процессов ………………………………… 4
2.Общие указания к изучению курса …………………………………... 6
3.Указания к определенным главам курса …………………………….. 7
3.1Введение ………………………………………………………………….. 7
3.2Классификация способов модификации древесины …………………... 9
3.3 Термомеханическое модифицирование древесины …………………… 12
3.4Термохимическое, радиационно-химическое и химическое модифицирование древесины ……………………………………………….. 14
3.5Пропитка, сушка и прессование древесины ……………………………. 16
3.6Химико-механическое модифицирование древесины. Теоретические основы модифицирование сушкой под давлением ………………………... 26
3.7Новые способы модифицирования древесины. Физико-механические свойства модифицированной древесины …………………………………… 27
3.8Технология и оборудование производства изделий из модифицированной древесины ……………………………………………… 31
Библиографический список………………………………………………… 37
Введение
Под модифицированием древесины понимаются процессы направленного улучшения одних свойств древесины без ухудшения других свойств.
В курсе «Физико-химические основы модификации древесины» изучаются теория, технология, оборудование производственных процессов модифицирования древесины (прессование, сушка, пропитка), а также свойства модифицированной древесины различных марок.
Цель процессов модифицирования древесины - увеличение прочностных свойств, увеличение стабильности форм и размеров, пластификация, улучшение текстуры и придание новых свойств.
1.Группы технологических процессов
По отдельным группам технологических процессов эти цели сводятся к следующему:
1.1При пластификации древесины:
-уменьшение твердости, что приводит к снижению усилий прессования;
-увеличению подвижности отдельных анатомических элементов древесины, связанное с разрывом водородных и сложноэфирных связей между целлюлозой и лигнином.
Способы пластификации могут быть:
-нагревание древесины конвективным или контактным способом, а также токами СВЧ;
-пропаривание перегретым паром;
-насыщение древесины пластификаторами (водной или жидкий аммиак, карбамид, дициандиамид, ангидрид масляной кислоты).
1.2При прессовании древесины механическим сжатием или сушкой под давлением:
а) увеличение прочности и износостойкости; б) увеличение статической и динамической твердости; в) увеличение модулей плотности и сдвига;
г) увеличение технологических и эксплуатационных показателей свойств.
1.3При пропитке древесины могут быть использованы способы вымачивания, горяче - холодной ванны, автоклавная пропитка, аэрозольная пропитка обработка, ультразвуком.
При этом достигаются следующие результаты:
-введение в древесину пластификаторов, упрочнителей, стабилизаторов размеров, красителей;
-реверсивная пропитка с торца под давлением изменителями текстуры древесины;
-вакуумная пропитка тетракарбонилом никеля, увеличивающем теплопроводность древесины; -защита древесины от гниения, возгорания путем введения антисептиков и антипирентов;
-увеличение антифрикционных свойств введением масел и других наполнителей;
-придание новых свойств за счет введения аморфной, фибриллярной и нанокристаллической целлюлозы.
1.4При воздействии на древесину электрических и магнитных полей, ультразвуковых волн достигается:
-размягчение древесины за счет дезинтегрирования кристаллической решетки целлюлозы в результате обработки ультразвуком;
-упрочнение древесины за счет поперечной сшивки по свободнорадикальному механизму при воздействии слабых импульсных магнитных полей;
-способность древесины насыщаться наноцеллюлозой в ультразвуковой пропиточной установке;
-активация наноцеллюлозы и красителей в древесине при воздействии сильных магнитных полей;
-возникновение новых свойств древесины, например, «эффекта памяти» при воздействии электрических полей и плазмы.
Процессы модификации древесины имеют очень большое значение как для деревоперерабатывающей промышленности, так и народного хозяйства в целом, т.к. позволяют экономить для страны древесину ценных пород, черные и цветные металлы, пластические массы, текстолит, древесно-слоистые пластики, фанеру и другие материалы.
Процессы модифицирования древесины имеют важное значение при создании новых конструкционных материалов для домостроения, оборонной промышленности и сельскохозяйственного машиностроения, т.к. вновь создаваемые материалы с требуемым набором показателей свойств позволяют качественно изменить структуру этих материалов и создать новое поколение конструкций будущего.
Без специальных знаний и высокой квалификации обслуживающего персонала, занятого при проведении технологических процессов модифицирования древесины невозможно рациональное выполнение операций, правильная эксплуатация применяемого сложного и дорогостоящего оборудования, достижение необходимых показателей физико-механических и эксплуатационных характеристик модифицированной древесины. Это ставит цехи и заводы модифицирования древесины в число наиболее ответсвенных процессов в деревопереработке.
2. Общие указания к изучению курса
Явления и закономерности модифицирования древесины многообразны и сложны по своему физическому содержанию. Оборудование для их практического проведения и его эксплуатации обладают рядом специфических особенностей.
Для успешного изучения настоящего курса, кроме общетехнических дисциплин, студент должен знать древесиноведение, гидротермическую обработку древесины, химию, станки и оборудование деревообрабатывающих производств, сопротивление материалов, теплотехнику, лесопильное производство.
Общий объем курса по учебному плану 70 часов из них: 58 ч. – самостоятельное изучение; 6 ч. – 3 лекции;
6 ч. – лабораторных работ в период экзаменационной сессии. Примерное содержание установочных лекций и количество часов, от-
веденных на них в период экзаменационной сессии.
1.Классификация способов модифицирования древесины. Термомеханическое модифицирование древесины – 2 часа.
2.Химико-механическое модифицирование древесины – 2 часа.
3.Химическое, термохимическое модифицирование древесины. Свойства модифицированной древесины. Области применения модифицированной древесины. Техника безопасности и охрана труда при модифицировании – 2 часа.
Содержание лабораторных работ определяется программой:
1.Одноосное прессование древесины – 2 часа.
2.Сушка под давлением в установке СПК-1 – 2 часа.
3.Пропитка в ультразвуковой установке – 2 часа.
Курс изучается путем:
а) самостоятельной проработки курса лекций и учебных пособий со-
гласно программе; б) установочных лекций во время сессионных занятий;
в) практических и лабораторных занятий.
Одновременно с самостоятельным изучением курса студент заочной формы обучения выполняет контрольную работу, в которой он должен представить решение задач с подробным объяснением.
В период очной сессии студент слушает лекции, выполняет лабораторные работы, сдает зачет по курсу.
3. Указания к отдельным главам курса
3.1 Введение
Цель дисциплины «Модифицирование древесины» - подготовка инже- неров-технологов и бакалавров по направлению подготовки 250400 в области организации и проведения технологических процессов сушки, тепловой обработки и пропитки древесины, широко используемых в деревообрабатывающей промышленности и направленных на придание древесины требуемых технологических свойств: обеспечение ее размерно- и формоустойчивости, повышение прочности и долговечности, а в конечном итоге – на улучшение качества изделий и сооружений из древесины, продление сроков их службы и рациональное использование древесного сырья.
Задачи дисциплины – изучение теории процессов прессования, сушки и пропитки древесины, современной технологии этих процессов, оборудования прессовых, сушильных и пропиточных устройств, их эксплуатации и проектирования.
Врезультате изучения дисциплины студент должен знать:
-классификацию способов, цели и задачи модифицирования, основные термины и определения:
-теоретические основы модифицирование древесины (теория П.Н. Хухрянского, В.А. Шамаева, Г.М. Шутова, К.П. Швалбе):
-стандартизацию, сертификацию и метрологию в области модифицирования древесины:
-способы модифицирования древесины:
-физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства модифицированной древесины:
-технологию прессования, пропитки и сушки древесины:
-оборудование для производства модифицированной древесины и изделий из нее:
-технико-экономическую эффективность производства и применения модифицированной древесины в различных отраслях:
-режимы технологических операций модифицирования, методы их контроля и регулирования.
Студент должен уметь:
-определить параметры процессов модифицирования древесины, в т.ч. по диаграмме , Idдиаграмме, уравнениям пропитки:
-рассчитывать продолжительность процесса прессования с одновременной сушкой, степень прессования:
-рассчитать количество и расход модификатора при пропитке древесины:
-назначать режим и рассчитывать продолжительность процессов в различных способах модифицирования древесины по кривым изменения параметров:
-оценивать результаты модифицирования по показателям свойств получаемого материала путем измерения плотности, влажности, прочности, формоизменения:
-планировать работу цехов по производству изделий из модифицированной древесины.
3.2 Классификация способов модификации древесины
Наиболее изученными и широко применяемыми способами улучшения свойств древесины являются ее антисептирование и апнтипирирование, которые широко освещены в специальной литературе и поэтому на них нет не-
обходимости останавливаться. Рассмотрим способы улучшения таких свойств древесины, как повышение прочности, стабильности размеров, антифрикционных свойств и др.
Как известно, основными техническими приемами модифицирования являются пропитка, прессование и термическая обработка, включающая сушку древесины. Дополнительно древесина может подвергаться воздействию магнитных и электрических полей, ультразвука, проникающей радиации, энергии лазера, плазмы и т.д.
Посредством пропитки вводятся вещества, увеличивающие прочность, формостабильность древесины.
Врезультате прессования увеличивается плотность древесины и соответственно возрастают прочностные свойства. Термическая обработка во всех случаях способствует закреплению приобретенных свойств.
Впервые получена братьями Пфлеймер в 1915 году прессованная древесина выпускается до сих пор в небольших количествах в Западной Европе
иСША под марками «лигностон», «стейпак», «стейбвуд». Основное назначение - ткацкие челноки. Одновременно с появлением прессованной древесины начали развиваться способы модифицирования древесины, основанные на пропитке древесины синтетическими мономерами и олигомерами. Эти способы получили развитие в Японии, Германии, США и Польше. В Польше древесина, модифицированная стиролом (товарный знак «лигномер»), выпускается и в настоящее время.
ВСловакии, начиная с 70-х годов ХХ в. выпускается модифицированная аммиаком прессованная древесина марки «лигнамон».
Однако наиболее глубокие исследования и широкая производственная проверка в области модифицирования древесины были проведены в СССР. В нашей стране сложились 4 направления модифицирования, отраженные в государственных стандартах термохимическое (радиационно-химическое), термомеханическое, химическое и химико-механическое.
Термохимическое модифицирование древесины заключается в пропитке сухой древесины мягких лиственных пород синтетическими мономерами
иолигомерами (стирол, метилметакрилат, фурановые смолы, фенолоспирты, полиэфирные смолы, карбамидоформальдегидные смолы и др.) с последующими полимеризацией и отверждением термокаталитическими или радиационным способами. Этот способ получил распространение в Белоруссии под руководством Г.М. Шутова и А.С. Фрейдина в г. Обнинске. В результате об-
работки древесина приобретает водовлагостойкость, повышенную прочность. Недостатком способа является высокая стоимость, токсичность модифицирующих агентов, и сложность технологического процесса. Эти обстоятельства привели к тому, что организованное производство изделий из модифицированной древесины (г. Гродно, г. Борисов, г. Соликамск) в настоящее время остановлено. Несколько дольше просуществовало производство дре- весно-полимерных подшипников скольжения, где сочетались пропитка полимерами с прессованием древесины. Теория и практика этого производства разработана Б.И. Купчиновым и В.И. Врублевской.
В семидесятых годах возникло, но не получило развития химическое модифицирование древесины ацетилированием, энтузиастом которого был К.П. Швалбе.
Наибольшее распространение в СССР получило термомеханическое модифицирование (прессование) древесины, развитое в трудах П.Н. Хухрянского, Н.Т. Нысенко. По этому способу древесина уплотняется в прессформах до требуемой прочности, затем наполняется антифрикционными составами. Применяется для изготовления деталей трения. Недостатки способа те же, что и у предыдущих способов - сложность и мелкосерийность производства, нестабильность материала в среде с переменной влажностью. По этой причине десятки опытно-промышленных цехов и участков по выпуску прессованной древесины со временем закрылись, и в России действует лишь одно предприятие во Владимирской области, выпускающее заготовки для ткацких челноков.
Химико-механическое модифицирование древесины, включающее химическую пластификацию аммиаком и последующее уплотнение наибольшее развитие получило в Латвии, где работали талантливые ученые Г.В. Берзиньш и К.А. Роценс. Модифицированная древесина, получаемая по этому способу, обладала повышенной, по сравнению с прессованной древесиной, формостабильностью и имела товарный знак «лигнамон». Впервые при реализации этого способа технологические стадии уплотнения и сушки были совмещены (хотя и частично) по месту и времени. Разработанная технология получения «лигнамона» автоклавным методом нашла применение в Словакии, где «лигнамон» производится для моделей литья и товаров народного потребления. Недостатком данного способа является необходимость работы с токсичным аммиаком и, как следствие, сложность технологического оборудования.