УДК 691
Ковтун И. Ю.
старший преподаватель НамИСИ,
Мальцева А.З.
преподаватель НамИСИ,
г. Наманган, Республика Узбекистан
МЕХАНИЗМ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ВРЕМЕНИ ТЕРМООБРАБОТКИ
Аннотация
В статье рассматривается строение древесины, а так же механизм изменения физико-механических свойств древесины при различных температурах и времени термообработки.
Ключевые слова
Термомодификация, целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин, экстрактивные вещества, минеральные вещества.
Термомодификация (или термообработка) древесины — это процесс воздействия на нее пара, температуры и вакуума без применения химических реактивов или пропиток, при этом наблюдается определенный механизм изменения физико–механических свойств древесины при различных температурах и времени термообработки.
Как известно на изменения физико-механических свойств древесины определяющее влияние оказывает ее структура.
К структурным элементам древесины относят:
- ткань древесных и кустарниковых растений, придающая им механическую прочность и участвующая в их питании;
- клетки (волокон, сосудов и др.) с одревесневшими (пропитанными лигнином) оболочками и составляет основную часть ствола, корней и ветвей растений.
- слой живых клеток (камбий), при делении которых, с одной стороны, образуется кора, с другой — новый слой древесины.
- наружные молодые физиологически активные слои древесины, примыкающие к камбию, называются заболонь.
Химический состав древесины зависит от породы и возраста деревьев, от части дерева, а также от типа леса, в котором росли деревья. Природная древесина — гигроскопичный материал капиллярно-пористой структуры, способный удерживать влагу в макропорах (в полости клеток — свободная влага) и микропорах (между фибриллами клеточной стенки — связанная, или гигроскопичная влага). При удалении связанной влаги древесина уменьшается в размерах. В сформировавшейся древесине имеются пустые или заполненные различными веществами пространства между округленными углами клеток — межклетники [2,3,5].
Срубленная древесина состоит из клеток с отмершим протопластом (клетка состоит из оболочки и живого содержимого — протопласта), т.е. из одних клеточных оболочек. Оболочку вполне сформировавшейся взрослой клетки называют клеточной стенкой.
Главные компоненты клеточной стенки (в процентном соотношении) (рис.1) приведены в таблице:
|
№ |
Наименование компонентов |
в процентном соотношении % |
|
1 |
целлюлоза |
41…58 |
|
2 |
Гемицеллюлозы (Гексозаны + Пентозаны) |
15…38 |
|
3 |
лигнин |
17…34 |
|
4 |
экстрактивные вещества |
0,8…6,9 |
|
5 |
минеральные вещества (смолы, камеди, танниды, жиры и др.) |
0,1…1 |
Рис.1. Главные компоненты клеточной стенки
Все компоненты клеточной стенки вносят определенный вклад в формирования физико-механических свойств древесины
Целлюлоза – главная составная часть клеточных стенок. Обеспечивает механическую прочность и эластичность тканей. Представляет собой углеводный полимер — полисахарид с высокой степенью полимеризации (6000 …14000).
Мельчайшее, структурное образование — элементарная фибрилла — представляет собой пучок макромолекул целлюлозы. Элементарные фибриллы включают участки с упорядоченным (кристаллические области, до 70-80 %) и беспорядочным (аморфные области) расположением молекул целлюлозы [1,4,7].
Структурные элементы, различное расположение которых создает слоистое строение клеточной стенки, называются микрофибриллами.
Целлюлоза является тем компонентом древесины, который при термообработке при повышении температуры до 240 – 250 °С подвергается незначительному разрушению.
При повышении температуры процесса до 240°С степень полимеризации целлюлозы уменьшается. Это объясняется тем, что образовавшаяся в результате гидролиза гемицеллюлозы уксусная кислота деполимеризует микрофибрилы целлюлозы на аморфных участках. В итоге уменьшается длина полимерных цепочек и увеличивается кристалличность целлюлозы, повышается ее химическая стойкость и снижается активность. При этом удаляется связанная вода, оксид и диоксид углерода.
Данные изменения положительно влияют на показатели равновесной влажности и стабильности размеров термомодифицированной древесины (она значительно утратит способность к впитыванию влаги – «набуханию», что в свою очередь ведет к повышению стабильности ее размеров). Несколько увеличатся показатели твердости древесины при незначительном уменьшении прочности. Пространства между целлюлозными микрофибриллами заполнены неуглеводным полимером лигнином, а также гемицеллюлозами.
Гемицеллюлозы — это полисахариды, выполняющие в клеточной стенке функцию аморфного цементирующего состава. Гемицеллюлоза состоит из относительно коротких макромолекул, молекулярная масса которых значительно меньше, чем у целлюлозы. Степень полимеризации обычно равна 60…200. Гемицеллюлозы входят в состав клеточной стенки, а также откладываются в клетках и служат запасными питательными веществами.
Гемицеллюлоза является тем компонентом древесины, которая подвергается наибольшей деструкции в процессе термообработки.
При повышении температуры процесса до 120 °С из ацетилированной гемицеллюлозы путем гидролиза образуется уксусная кислота, которая при дальнейшем повышении температуры процесса служит катализатором гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров (арбидозы, галактозы, ксилозы, маннозы). Эти сахара выводятся из технологического процесса за счет своей растворимости в воде.
Температура полного разложения гемицеллюлозы в зависимости от условий процесса варьируется в интервале от 200 до 260 °С. При известных условиях термообработки древесины лишь небольшая часть гемицеллюлозы остается в ней, но это уже не влияет на приобретаемые древесиной новые качества. Результат — существенно снижается объем материала, чувствительного к грибку, что приводит к повышению (на несколько порядков) показателей устойчивости к разрушению под воздействием грибка по сравнению с древесиной мягких пород, высушенной в обычной печи [1].
С разложением гемицеллюлозы снижается концентрация водопоглощающих гидроксильных групп, что приводит улучшению показателей формоустойчивости обработанной древесины.
Лигнин, как аморфный полимер, является своего рода связующим между фибриллами целлюлозы, придавая прочность и жесткость клеточной стенке (если целлюлоза по своим свойствам соответствуют арматуре, то лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, — бетону).
Лигнин нерастворим в воде и органических растворителях, устойчив к действию ферментов, не участвует в обмене веществ.
При низких температурах процесса (до 200 С) преобладающими являются реакции гидролитического разложения углеводов древесины и частичная деполимеризация лигнина с образованием низкомолекулярных фрагментов, способных растворяться в органических растворителях (диоксан — вода, этанол-вода, ацетон-вода) и в водных растворах щелочей. Повышение температуры процесса усиливает степень деструкции углеводов древесины, а между тем с реакциями деполимеризации лигнина начинают конкурировать реакции его реполимеризации. Поэтому, при изменении температуры технологического процесса до 200 0С количество лигнина в древесине падает, а с увеличением температуры процесса количество лигнина заметно возрастает, достигая 33.0 – 36,0%. По видимому, этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что в древесина в процессе термообработки практически не теряет своих прочностных качеств, так как содержание своеобразного «цемента» в ее структуре практически не меняется.
Экстрактивные вещества. Древесина содержит незначительное количество маломолекулярных компонентов. На экстрактивные вещества приходится менее 5% древесины. Экстрактивные вещества разнородны в различных породах дерева, и количество составных структур очень велико. Экстрактивные вещества не являются структурными компонентами древесины, большинство составных структур легко испаряются при термообработке.
Заключение
Изучив механизм изменения физико-механических свойств древесины при различных температурах и времени термообработки можем сделать вывод, что если произвести термообработку древесины пород, прорастающие на территории Узбекистана, то можно улучшить его физико-механические свойства и расширить область применения.
Список использованной литературы:
1. Ковтун И. Ю. Концептуальные предпосылки отчетного раскрытия информации о собственном капитале предприятия. – 2014.
2. Kovtun I. Y., Maltseva A. Z. Improving the reliability of calculations of bases and soil massifs based on geotechnical control methods //Academicia: an international multidisciplinary research journal. – 2021. – Т. 11. – №. 1. – С. 1367-1375.
3. Mavlonov R. A., Numanova S. E. Effectiveness of seismic base isolation in reinforced concrete multi-storey buildings //Journal of Tashkent Institute of Railway Engineers. – 2020. – Т. 16. – №. 4. – С. 100-105.
4. Ризаев Б. Ш., Мавлонов Р. А., Нуманова С. Э. Деформации усадки и ползучести бетона в условиях сухого жаркого климата //Символ науки. – 2016. – №. 5-2.
5. Мавлонов Р. А., Ортиков И. А. Cold weather masonry construction //Материалы сборника международной НПК «Перспективы развития науки. – 2014. – С. 49-51.
6. Ризаев Б. Ш., Мавлонов Р. А. Деформативные характеристики тяжелого бетона в условиях сухого жаркого климата //Вестник Науки и Творчества. – 2017. – №. 3. – С. 114-118.
7. Холбоев З. Х., Мавлонов Р. А. Исследование напряженно-деформированного состояния резаксайской плотины с учетом физически нелинейныx свойств грунтов //Science Time. – 2017. – №. 3 (39). – С. 464-468.
8. Мавлонов Р. А., Ортиков И. А. Sound-insulating materials //Актуальные проблемы научной мысли. – 2014. – С. 31-33.
9. Numanova S. E. Energy-efficient modern constructions of external walls //Экономика и социум. – 2021. – №. 1-1. – С. 193-195.
10. Хамидов А. И., Нуманова С. Э., Жураев Д. П. У. Прочность бетона на основе безобжиговых щёлочных вяжущих, твердеющего в условиях сухого и жаркого климата //Символ науки. – 2016. – №. 1-2.
©Ковтун И.Ю., Мальцева А.З., 2021