Моделирование интенсивного теплового воздействия при сушке, термомодифицировании и торрефикации древесины, прогнозирование ее свойств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат наук Ермоченков, Михаил Геннадьевич

• Ермоченков, Михаил Геннадьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ермоченков, Михаил Геннадьевич

Введение....................................................................................5

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы термического

модифицирования древесины...............................................17

1.1. Методы модифицирования древесины...................................17

1.2. Основные технологии термического модифицирования............19

1.3. Этап сушки.....................................................................20

1.4. Этап термического модифицирования....................................21

1.5. Этап охлаждения..............................................................23

1.6. Изменение свойств древесины при термическом модифицировании.............................................................23

1.7. Строение древесины.........................................................28

1.8. Физические свойства древесины..........................................29

1.8.1. Влажность...................................................................29

1.8.2. Влагопроводность.........................................................31

1.8.3. Плотность....................................................................33

1.8.4. Теплоёмкость...............................................................34

1.8.5. Теплопроводность.........................................................36

1.8.6. Проницаемость.............................................................47

1.9. Длительная прочность древесины.........................................52

1.10. Цветовые характеристики древесины...................................66

1.11. Общие уравнения переноса теплоты и массы в многокомпонентных системах с химическими реакциями.........68

1.12. Математические модели процессов, протекающих в древесине при термическом воздействии...............................................74

1.13. Методы исследования термической деструкции......................82

1.14. Термодинамическое описание системы пар-вода.....................94

1.15. Прямые и обратные процессы............................................100

1.16. Выводы........................................................................105

1.17. Постановка задачи исследования.......................................107

Глава 2. Физико-математическая модель процессов, протекающих в

древесине при интенсивном тепловом воздействии..................110

2.1. Физическая модель. Обоснование принятых допущений..........110

2.2. Математическая модель...................................................121

2.3. Краевые условия и замыкающие соотношения.......................123

2.4. Выводы........................................................................132

Глава 3. Методы исследования кинетики физико-химических процессов

в древесине при термическом модифицировании.......................134

3.1. Метод исследования кинетики многостадийных реакций термической деструкции в древесине..................................134

3.2. Уточнение кинетических параметров методами оптимизации____143

3.3. Метод исследования кинетики многостадийных реакций удаления из древесины связанной влаги при сушке.................148

3.4. Обратимость процесса удаления связанной влаги...................160

3.5. Выводы........................................................................160

Глава 4. Результаты исследования кинетики физико-химических

процессов в древесине при термическом модифицировании..........168

4.1. Экспериментальная установка для термогравиметрических исследований кинетики термической деструкции....................168

4.2. Результаты исследования кинетики термической деструкции различных пород древесины..............................................169

4.3. Экспериментальная установка для исследования кинетики термической деструкции древесины в среде инертных газов......179

4.4. Результаты исследования кинетики термической деструкции древесины при нагреве в среде инертных газов......................183

4.5. Анализ результатов термогравиметрических исследований термической деструкции различных пород древесины.............191

4.6. Экспериментальная установка для термогравиметрических исследований кинетики испарения влаги в древесине..............195

4.7. Методика подготовки образцов для термогравиметрических исследований сушки древесины.........................................197

4.8. Результаты термогравиметрических исследований

кинетики сушки древесины..............................................201

4.9. Результаты исследования кинетики обратной реакции.............211

4.10. Выводы.......................................................................216

Глава 5. Прогнозирование свойств термически модифицированной

древесины........................................................................218

5.1. Коэффициент теплопроводности.........................................218

5.2. Теплоемкость древесины...................................................227

5.3. Проницаемость древесины................................................231

5.4. Длительная прочность древесины.......................................242

5.5. Цветовые характеристики термически модифицированной древесины.....................................................................258

5.6. Тепловые эффекты удаления связанной влаги из древесины......271

5.7. Теплота сгорания торрефицированной древесины...................280

5.8. Алгоритмизация задачи....................................................289

5.9. Экспериментальная проверка адекватности математической модели тепломассообмена в древесине.................................292

5.10. Проверка работоспособности модели и методов прогнозирования свойств термически модифицированной древесины.....................................................................299

5.11. Выводы........................................................................311

Заключение.................................................................................313

Библиографический список............................................................318

Приложения................................................................................336

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование интенсивного теплового воздействия при сушке, термомодифицировании и торрефикации древесины, прогнозирование ее свойств»

Актуальность исследования

В настоящее время для улучшения свойств древесины механических, физико-химических, теплотехнических, декоративных, биологических и др. используют различные технологические процессы с применением теплового воздействия на древесину. Сушка и различные виды модифицирования древесины, включая термическое, относятся к таким технологическим процессам.

Чтобы улучшить механические, физико-химические, теплотехнические, декоративные, биологические и др. свойства древесины в настоящее время используют технологические процессы, при которых применяют тепловое воздействие на древесину.

К таким технологическим процессам относятся сушка и различные виды модифицирования древесины, включая термическое.

Изучением термического модифицирования древесины начали заниматься в 30-х - 40-х годах прошлого века в Германии и США. Новая волна интереса к данной проблеме возникла в 90-х годах. В настоящее время работы в этом направлении проводятся в Финляндии, Франции, Германии, США, Голландии, Латвии. Занимаются исследованиями в данной области и в Российской Федерации.

Существующие сегодня технологии термомодифицирования древесины имеют ряд существенных недостатков: большие энергозатраты, высокая себестоимость, большая длительность процессов. В настоящее время процессы, протекающие в древесине при нагреве, и их связь с механическими, теплофизическими, химическими свойствами получаемого материала, а также декоративными характеристиками недостаточно изучены. Это приводит к тому, что сведения о свойствах термически модифицированной древесины (ТМД) в различных источниках значительно разнятся. Не существует надежных расчетных методов оптимизации параметров технологических процессов для получения материалов с заданными свойствами. Оптимизация осуществляется экспериментальным путем, что приводит к значительным материальным и временным затратам.

Существующие технологии термического модифицирования древесины предполагают проведение процесса в паровой среде, в различных маслах, жидкостях, в среде инертных газов.

При термическом модифицировании может использоваться как влажная древесина, так и прошедшая предварительную сушку. Таким образом, в общем случае процесс термомодифицирования может включать в себя этапы интенсивной сушки и модифицирования. Сушка древесины сопровождается удалением свободной и различных видов связанной влаги, что вызывает изменение свойств материала. Термическое модифицирование осуществляется без доступа кислорода, при этом в материале протекают процессы термодеструкции. Это также вызывает изменение свойств древесины. Величина изменения свойств материала, подвергшегося термическому модифицированию, определяется степенью термической деструкции. Технологические параметры, такие как температура, время и темп нагрева определяют характер и скорость процессов термодеструкции и сушки. Таким образом, без решения задачи тепло- и массообмена в древесине при тепловом воздействии невозможно спрогнозировать свойства получаемого материала и управлять технологическим процессом термомодифицирования.

Для описания процессов, протекающих в различных материалах при сушке, разработан ряд математических моделей, описывающих эти процессы. Но эти модели имеют ряд допущений, которые ограничивают их применимость для описания процессов тепло- и массообмена в древесине при интенсивном тепловом воздействии. Однако эти модели имеют ряд допущений, ограничивающих их применимость для описания процессов тепло- и массообмена в древесине при интенсивном тепловом воздействии.

Математическое описание процессов, протекающих в древесине при термическом модифицировании, позволит разработать методы оптимизации параметров технологических процессов, а также проводить оперативное изменение технологических параметров для оптимизации времени и величины управляющего воздействия с целью получения материала с заранее заданными свойствами.

Свойства термически модифицированной древесины могут варьироваться в достаточно широком пределе в зависимости от назначения материала.

Таким образом стоит задача разработки математической модели, описывающей процессы тепло- и массообмена, протекающие в древесине, как на этапе интенсивной сушки, так и на этапе термического модифицирования. Модель должна позволять рассчитывать нестационарные поля температуры, влажности, плотности, пористости, концентраций компонентов и другие параметры древесины при произвольном тепловом воздействии на неё. Необходимо исследовать влияние процессов, протекающих в древесине, на изменения её механических, физико-химических, теплофизических, эксплуатационных, декоративных и других свойств. На основе этого могут быть разработаны методы прогнозирования свойств древесины, получаемой при тепловом воздействии.

Степень разработанности проблемы

Работы по исследованию свойств термически модифицированной древесины, а также по разработке и оптимизации технологических процессов модифицирования в различной средах, проводятся, как зарубежом, так и в России. Вопросами разработки технологий термомодифицирования древесины и исследованием свойств получаемых материалов занимаются в Казанском национальном исследовательском технологическом университете под руководством Сафина Р. Р. Тепломассообмену в древесине при модифицировании и математическому моделированию этих процессов посвящен ряд работ Nencho Deliiski. Влияние параметров технологических процессов термообработки на физико-химические, теплофизи-ческие, эксплуатационные и декоративные свойства ТМД исследовалось в работах, проводимых в Государственном Исследовательском Центре VTT в Финляндии. Результаты исследований изменения механических и других свойств получаемых материалов и их цветовых характеристик отражены в работах A. O. Rapp, H. Militz, A. F. Bravery, D. Kacikova, F. Kacik, V. Repellin, A. Koski, M. Sailer и др.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка математической модели тепломассообмена в древесине при интенсивном тепловом воздействии, разработка и обоснование методов прогнозирования свойств древесины, подвергающейся термическому модифицированию, позволяющих рассчитывать оптимальные параметры термического модифицирования древесной продукции.

В ходе работы решались следующие задачи:

1. Изучение состояния вопроса термического модифицирования древесины.

2. Анализ процессов, протекающих в древесине при термическом воздействии.

3. Разработка математической модели процессов, протекающих в древесине при интенсивном нагреве, позволяющей определять оптимальные параметры процесса термического модифицирования древесины, разработка программы расчета тепло- и массообмена в материале при наличии внутренних источников.

4. Разработка метода исследования кинетики удаления влаги из древесины при сушке, разработка и изготовление экспериментальных установок для проведения термогравиметрических исследований удаления влаги из композиционных материалов в среде с контролируемой влажностью, проведение экспериментально-расчетных исследований, определение кинетических параметров.

5. Исследование влияния относительной влажности среды на кинетику сушки древесины.

6. Разработка метода исследования кинетики термической деструкции древесины, разработка и изготовление экспериментальных установок для проведения термогравиметрических исследований термической деструкции композиционных материалов в вакууме и в среде инертных газов, проведение экспериментально-расчетных исследований, определение кинетических параметров.

7. Исследование влияния степени термической деструкции древесины на механические, теплофизические и декоративные свойства материала.

8. Разработка методов прогнозирования механических, теплофизических и декоративных свойств ТМД в зависимости от температуры, времени и темпа нагрева.

9. Разработка математической модели тепло- и массообмена в древесине при производстве торрефицированных пеллет.

10. Исследование влияния параметров технологического процесса торрефи-кации пеллет на теплоту сгорания.

Предмет и объект исследования

Предметом исследования являются зависимости физико-химических, механических, теплофизических и декоративных свойств термически модифицированной древесины от параметров технологических процессов модифицирования и степени термической деструкции. Объектом исследования является древесина березы, дуба, сосны и бука, подвергающаяся термическому воздействию различной интенсивности.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база

исследования

Методологическую базу исследования составляют имеющиеся на настоящее время теоретические представления о процессах, протекающих в объекте исследования при тепловом воздействии, сопровождающихся переносом теплоты и массы, результаты соответствующих экспериментальных исследований.

Теоретической базой являются работы российских и зарубежных исследователей, посвященные тепло- и массообмену в коллоидных материалах с капиллярно-пористой структурой при термическом воздействии, исследованию свойств древесины и их изменениям в процессе термического модифицирования.

Эмпирическую базу составили результаты исследований физико-химических, механических, теплофизических и декоративных свойств объектов исследования, влияния параметров технологических процессов термомодифици-

рования древесины на изменение ее свойств, исследования биологической стойкости получаемых материалов.

Научные результаты, выносимые на защиту

В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель тепло- и массообмена в древесине при термическом модифицировании, описывающая этапы интенсивной сушки, термической деструкции и охлаждения материала. Разработаны алгоритм решения задачи и программное обеспечение.

2. Разработан метод исследования кинетики термической деструкции древесины в вакууме и в среде инертных газов. Проведены экспериментально-расчетные исследования кинетики термической деструкции различных пород древесины. Получены кинетические параметры.

3. Разработан метод исследования кинетики удаления влаги из древесины при сушке. Проведены экспериментально-расчетные исследования кинетики сушки различных пород древесины. Получены кинетические параметры. Получены зависимости кинетических параметров от влажности среды.

4. Разработан метод исследования сорбции влаги древесиной. Проведены экспериментально-расчетные исследования кинетики сорбции древесины. Получены кинетические параметры.

5. Исследовано влияние степени термической деструкции древесины на ее механические, теплофизические и декоративные свойства. Разработаны методы прогнозирования свойств получаемого материала в зависимости от температуры, времени и темпа нагрева.

6. Разработана математическая модель процесса торрефикации древесного топлива. Разработаны алгоритм расчета и соответствующее программное обеспечение.

7. Разработан метод прогнозирования теплоты сгорания торрефицированного топлива в зависимости от параметров процесса торрефикации.

Научная новизна результатов работы

Работа содержит научно обоснованные технические решения, направленные на оптимизацию технологических процессов получения термически модифицированной древесины с целью уменьшения энергозатрат и времени модифицирования, и получения материала с заданными свойствами.

Впервые исследованы и обобщены закономерности изменения свойств древесины в результате термической обработки:

• разработана математическая модель процессов, протекающих в древесине при термическом модифицировании, описывающая этапы интенсивной сушки, термодеструкции и охлаждения;

• разработан метод исследования кинетики многостадийных процессов удаления влаги из древесины при сушке, получены постадийные кинетические параметры сушки различных пород, получены зависимости кинетических параметров от влажности среды;

• разработан метод исследования кинетики многостадийных процессов сорбции влаги древесиной, получены постадийные кинетические параметры;

• разработана модель удаления влаги из древесины как совокупности процессов сорбции и десорбции;

• разработан метод исследования кинетики многостадийных процессов термической деструкции древесины при нагреве без доступа окислителя, получены постадийные кинетические параметры термодеструкции различных пород в вакууме и в среде инертных газов;

• проведены исследования длительной прочности образцов древесины при сжатии, влияния на прочностные показатели температуры и времени термического модифицирования, разработана математическая модель длительной прочности древесины с учетом степени термической деструкции и много-стадийности процессов, предложен метод прогнозирования времени разрушения образцов при нестационарных механических и тепловых нагружени-ях;

• проведены исследования влияния степени термического модифицирования на теплофизические свойства древесины, предложены методы прогнозирования теплофизических свойств при различных параметрах технологических процессов получения ТМД;

• проведены исследования влияния степени термического модифицирования на цветовые характеристики древесины, предложена математическая модель их зависимости от степени термической деструкции материала, предложен метод прогнозирования цветовых характеристик в зависимости от температуры, времени и темпа нагрева;

• проведены исследования влияния степени термодеструкции на теплоту сгорания торрефицированного древесного топлива, предложена математическая модель, учитывающая эту зависимость.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработанной математической модели тепло- и массообмена в древесине при интенсивном нагреве, описывающей этапы интенсивной сушки и термического модифицирования, позволяющей определять оптимальные параметры процесса термического модифицирования древесины. Разработана математическая модель, описывающая удаление влаги из древесины как совокупность процессов сорбции и десорбции с учетом их многостадийности. Предложен экспериментально-расчетный метод определения кинетических параметров. Разработана математическая модель длительной прочности древесных материалов, подвергающихся термической деструкции в условиях нестационарных механических и тепловых нагружений. Предложены математическая модель зависимости цветовых характеристик ТМД от степени модификации и метод определения этой зависимости.

Практическая значимость полученных научных результатов заключается в разработанных компьютерных программах расчета тепломассообмена в древесине при термическом модифицировании. Практическую ценность имеют полученные кинетические параметры многостадийных процессов термической деструкции и удаления влаги из различных пород древесины. Практическую значимость имеют

разработанные методы прогнозирования свойств получаемого материала в зависимости от температуры, времени и темпа нагрева, и полученные соответствующие уравнения, описывающие эти зависимости.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины, как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки, с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Апробация и реализация результатов диссертации

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

• IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины-

2004», С.-Петербург: СПбТЛТА, 2004.

• Всероссийской конференции, посвященной 50-летию Сибирского отделения РАН, «Дендрология и лесоведение», Красноярск, 2007.

• III Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии СЭТТ-2008».

• Международной конференции «Лес, как возобновляемый источник жизненных ценностей в изменяющемся мире», С.-Петербург - Москва, 2009.

• Международной конференции «Актуальные проблемы сушки и термовлажно-стной обработки материалов». Материалы семинара; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО ВГЛТА, Воронеж, 2010.

• IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии СЭТТ-2011», Москва, 2011.

• 14 Минском международном форуме по тепломассообмену, Минск, Беларусь, 2012.

• V Международном симпозиуме РКСД «Строение, свойства и качество древесины - 2014», Москва, 2014.

• Международной конференции «Композиционные материалы на древесных и других наполнителях», Москва, 2014.

• Первых Международных Лыковских научных чтениях - международной научной интернет-конференции.

• Международном научно-техническом форуме «Первые международные Косы-гинские чтения», Москва, 2017.

• Ежегодных научных конференциях МГУЛ «Технология и оборудование для переработки древесины», 2004-2016.

Основные научные и технические результаты диссертационной работы апробированы и приняты к использованию ЗАО «ЭГАПТ» и ООО ТПК «Глобал паркет». Внедрение результатов работы позволило провести оптимизацию существующих и уменьшить время отработки новых технологических режимов для получения древесины с заданными свойствами, это привело к получению экономического эффекта, что подтверждено соответствующими актами.

Теоретические положения работы, посвященные математическому моделированию процессов, протекающих в древесине при термическом воздействии, методы экспериментальных исследований свойств термомодифицированной древесины и соответствующее программное обеспечение, разработанные автором, используются в учебном процессе при разработке лекционных курсов дисциплин «Гидротермическая обработка и консервирование древесины», «Топливо и теория горения», «Математические методы решения задач в энергетике» и «Энергетическое использование древесной биомассы», разработаны лабораторные работы, что подтверждено актом.

Личное участие автора

Личное участие автора состоит в выборе темы диссертации, разработке ее основных идей, постановке и решении теоретических, экспериментальных и прикладных задач. При непосредственном участии автора разработаны и изготовлены экспериментальные установки, проведены экспериментально-расчетные исследования. Автором сделаны обобщения полученных результатов. Ему принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.

Публикации

По результатам выполненных исследований автором опубликованы 39 печатных работ, в том числе 1 монография и 12 статей в ведущих рецензируемых журналах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, библиографического списка из 211 наименований и 4 приложений. Основные материалы диссертации изложены на 386 страницах машинописного текста, содержит 45 таблиц, 145 рисунков и 4 приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, отмечены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ основных технологических процессов термического модифицирования древесины, состояния вопроса описания свойств древесины до и после термического воздействия. Рассмотрены математические модели тепло- и массообмена в коллоидных капиллярно-пористых материалах при нагреве и методы исследования физико-химических процессов, протекающих в этих материалах. По результатам анализа поставлены задачи исследования.

Во второй главе приведена физическая модель процессов, протекающих в древесине при интенсивном тепловом воздействии, проведена оценка членов, входящих в общие уравнения переноса теплоты и массы, сформулированы допущения и записана математическая модель тепломассообмена в древесине при термическом модифицировании. Проверена адекватность предложенной математической модели.

В третьей главе изложены разработанные методы экспериментально-расчетных исследований кинетики многостадийных процессов термической деструкции древесины, кинетики удаления из нее влаги. Приведена математическая модель удаления связанной влаги как совокупности процессов сорбции и десорбции. Предложен экспериментально-расчетный метод определения кинетических параметров сорбции влаги древесиной.

В четвертой главе приведены результаты экспериментально-расчетных исследований кинетики термической деструкции различных пород древесины. Исследования проводились в вакууме и в среде инертных газов. Представлены кинетические параметры для каждой стадии термодеструкции различных пород древесины. Приведены результаты экспериментально-расчетных исследований кинетики удаления влаги из древесины, результаты исследования зависимости кинетики процесса от влажности среды. Представлены кинетические параметры стадий процесса сушки различных пород древесины, кинетические параметры сорбции влаги древесиной.

В пятой главе изложены результаты исследования теплофизических свойств древесины и их изменения при термическом модифицировании. Приведены результаты исследования длительной прочности древесины при сжатии. Предложена математическая модель изменения длительной прочности при термической деструкции материала в условия нестационарных механических и термических на-гружений. Представлены результаты исследования влияния степени термодеструкции на цветовые характеристики различных пород древесины. Предложена математическая модель изменения цвета материала, получены соответствующие математические уравнения. В главе изложены методы прогнозирования свойств термически модифицированной древесины, полученной при различных режимах технологических процессов.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ТЕРМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

1.1. Методы модифицирования древесины

Древесина это легкодоступный и, к тому же, возобновляемый источник сырья. Ее широко используют для производства отделочных и конструкционных строительных материалов. Широкое применение древесины в различных областях жизнедеятельности человека обусловлено наличием у нее целого ряда ценных свойств, таких как относительно высокая механическая прочность, химическая стойкость в нормальных условиях, экологическая чистота, ярко выраженная текстура и цвет, что определяет декоративные характеристики и т. д.

Однако у древесины есть и свои недостатки. Она может подвергаться биологическому поражению, может изменять свои линейные размеры при изменении влажности. У нее не высокая стойкость к климатическим воздействиям. При изменении влажности окружающей среды у древесины изменяются теплофизиче-ские свойства. Эти проблемы могут быть разрешены либо защитой изделий из древесины от воздействий окружающей среды, биологических и физико-химических воздействий при помощи пропитки, покрытий внешних поверхностей различными составами, либо модифицированием.

Модифицирование древесины - это целенаправленное изменение её свойств применительно к условиям эксплуатации изделий. У нее в результате модифицирования могут изменяться физико-механические, теплофизические, химические, декоративные и другие свойства, значительно возрастает стойкость к биологическим поражениям и климатическим воздействиям, долговечность. Модифицирование позволяет использовать не только высококачественную деловую древесину, но и низкокачественную.

Модифицированная древесина (МД) используется в самых различных областях деятельности человека, это и строительство, и машиностроение, и изготовле-

ние мебели, музыкальных инструментов, в качестве конструкционных материалов и т. д. Эффект модифицирования, то есть отношение различных показателей МД к аналогичным показателям исходного материала зависит от способа модифицирования. В настоящее время разработаны различные методы модифицирования древесины.

Термомеханическое модифицирование (ТРММ) включает в себя следующие этапы: предварительный прогрев или пропаривание, уплотнение сухой или пропитанной древесины, высокотемпературная сушка и термообработка.

Химико-механическое модифицирование (ХММ) - модифицирование пластифицированной аммиаком или карбамидом древесины прессованием с последующей термообработкой и охлаждением.

Термохимическое модифицирование (ТХМ) включает в себя операции пропитки древесины мономерами, олигомерами или смолами, сушки и термообработки с целью полимеризации или поликонденсации пропиточного состава.

Химическое модифицирование (ХМ) состоит из химической обработки древесины аммиаком или уксусным ангидридом, термообработки, удаления побочных продуктов реакции и сушки. При этом меняется тонкая структура клеточных стенок и химический состав древесины.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ермоченков, Михаил Геннадьевич, 2018 год

//У //

Таблица 25

Результаты экспериментального исследования паропроницаемости образцов древесины различных пород

Ясень Береза вдоль волокон Сосна вдоль волокон

вдоль волокон поперек волокон

Толщина образца, х, мм 3,5 5,5 7,5 6,8 5,5 7,8 11 12,2 14,7

Коэффициент паропроницаемости, Ы0-8, с 0,33 ±0,08 0,27 ±0,07 0,26 ±0,08 0,092 ±0,02 0,26 ±0,09 0,79 ±0,15 0,69 ±0,15 0,65 ±0,12 0,5 ±0,1

Плотность древесины р, кг/м3 690 570 480

(5.20)

В качестве масштабного фактора можно принять выражение:

М ГТ

М = -;= ,

^1 - 37я)

где П - пористость материала.

Экспериментальные исследования показали [109, 65], что параметр а практически является постоянным для конкретного материала в широком диапазоне изменений его пористости и расхода газофазных компонентов. На рисунке 5.13 приведены результаты экспериментальных исследований газопроницаемости поролона. Этот материал был выбран в качестве модельного материала, так как его структура практически не изменяется при изменении пористости в широком диапазоне - от 0,95 до 0,45.

Экспериментально установлено, что ко зависит не только от пористости материала, но и от расхода продуваемого газа. Однако эта зависимость существенно меньше, чем зависимость от изменения пористости. Так, например, (см. рисунок 5.13 и рисунок 1.12) изменение пористости поролона на 7 % приводит к такому же изменению ко, как и изменение расхода продуваемого газа в 2,8 раза.

Газопроницаемость материала рассчитывается из уравнений (5.16), (5.19) и (5.20), если известна величина параметра а. Этот параметр может быть определён по результатам экспериментальных исследований, исходя из соотношения:

3ТП "

' 3/

э

а = ко

1 - з/П",

(5.21)

где ко и Пэ - проницаемость слоя и пористость материала в эксперименте,

соответствующая фиксированным условиям T = const, р1 • w1 = const , дtpg = 0.

На рисунке 5.13 приведены графики зависимости проницаемости слоя материала от его пористости. Проницаемость слоя материала определялась экспериментально (точки) и рассчитывалась по соотношениям (5.16), (5.19) и (5.20) (сплошная линия). Анализ графиков показывает удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных в широком диапазоне изменения проницаемости слоя материала.

При переходе ламинарного режима течения в турбулентный конвективный поток определяется из модифицированного уравнения Дарси [41, 64, 65] :

- d— = aju1w1 + Рр\\1, (5.22)

dx

где а - вязкостный коэффициент сопротивления пористой среды; в - инерцион-

2 1

ный коэффициент сопротивления пористой среды (м ) и (м ), соответственно.

Рис 5.13. Зависимость коэффициента проницаемости поролона от пористости

Отношение р/а имеет размерность (м) и может быть использовано в качестве характерного размера при определении числа Рейнольдса для потока жидкости в пористом материале [48]:

Яе = . (5.23)

П

Коэффициенты сопротивления а и в не зависят от рода движущейся в пористой среде жидкости. Они являются характеристиками структуры пористого материала и могут быть определены экспериментально. В явном виде функциональная зависимость коэффициентов а и в от пористости для конкретного материала описывается выражением:

а = С1ПС2, (5.24)

в = С3 ПС4, (5.25)

где С] - С4 - константы эмпирических уравнений.

Экспериментальные исследования газопроницаемости древесины проводились методом стационарной пластины. Для изотермического течения сжимаемого идеального газа можно записать следующее выражение:

йх

= 2ацвЯТ + 2рв2 ЯТ,

(5.26)

где Р - абсолютное давление газа, Па; Т - абсолютная температура, К; Я - газовая постоянная газофазных компонентов. Для воздуха и продуктов деструкции древесины принимаем Я=287 Дж/(кг-К), для пара Я=462 Дж/(кг-К).

При экспериментальном определении коэффициентов аир уравнение (5.26) можно привести к виду:

Р - Р2

= ацв + рв2,

(5.27)

28ЯТ

где Р1 и Р2 - абсолютные давления газа на внутренней и внешней стороне образца, соответственно.

При проведении экспериментальных исследований определяется массовый расход G газофазных компонентов при различных перепадах давления на внутренней и внешней стороне образца. Полученные экспериментальные данные аппроксимируются усеченной параболой. Обработка результатов измерений позволяет получить коэффициенты сопротивления а и в для исследуемых пород древесины.

Расчет коэффициентов а и в проводится с использованием метода наименьших квадратов [56, 109]:

в =

г=1

^п Л(п ^

Е вгрпр,1- Е в?рпр,1 Е Е в3

Vг=1

Vг=1 Аг=1 У

/ Л/ Л/ 1

ппп

(5.28)

Е в3 - Е в4 Е в/ Е в

г=1 VI=1 А г=1 А г=1 У

п п

. Евгрпр,г - вЕвг

а = - ^-^—, (5.29)

! Ев2

г=1

где п - число измерений; вг - расход газа в г-ом измерении кг/(м2с); Епрг - приведенный перепад давления в г-ом измерении:

Е>2 Е>2 р = ГИ -

2 ■ §■ Я ■ т'

(5.30)

Точность аппроксимации оценивается коэффициентом корреляции:

т т

Пу -XП -XУ

г =

г=1 г=1

т

т

X П - X п

1=1

V г=1 У

т

X У2 - X У

г=1

V г=1 У

1

(5.31)

где т - число вариаций пористости материала в экспериментах; у 1 соответственно а(П) или в(П) в /-ой вариации.

В результате протекания в древесине процессов испарения влаги или термической деструкции пористость материала и его структура может меняться. В этом случае коэффициенты сопротивления а и в могут быть определены из выражений вида [161]:

а = а0 ■ М, в = во ■ М,

где М - масштабный фактор, определяемый из выражения:

(5.32)

М=

1 -

\Тп] 3

П

(5.33)

а0 и в0 характеризуют структуру конкретной породы древесины.

Для исследования проницаемости древесины и ее изменения в процессе термической деструкции была разработана и изготовлена экспериментальная установка. Схема установки приведена на рисунке 5.14.

2

2

Рис 5.14. Схема экспериментальной установки для определения газопроницаемости

Рабочая камера 1 экспериментальной установки состоит из двух частей -верхней и нижней. В рабочую камеру помещается исследуемый образец 4. Он представляет собой цилиндр диаметром 100 мм и высотой 5 мм. Для предотвращения фильтрации газа по радиусу образца боковая поверхность цилиндра герметизируется специальным высокотемпературным клеем 3. Перетечки газа между верхней и нижней камерами устраняются с помощью герметизирующих, уплот-нительных прокладок 2. Избыточное давление в нижней камере установки создается компрессором 6. Значение давления фиксируется манометром компрессора. Объемный расход газа, фильтрующегося через образец, определяется с помощью пленочного расходомера 5.

Исследовалось влияние на проницаемость древесины степени ее термической деструкции и, как следствие, пористости. Эксперименты проводились с использованием экспериментальной установки, схема которой приведена на рисунок 5.14. Определялась проницаемость образцов воздухом до и после термической обработки. Результаты экспериментально расчетных исследований приведены в таблице 26.

Таблица 26

Результаты экспериментального исследования воздухопроницаемости древесины сосны и березы

Порода Температура отжига, [с] Время воздействия, с Начальная масса образца, кг Конечная масса образца, кг Перепад давлений, мПа Коэффициент воздухопроницаемости, с

сосна - - 5,97 •Ю-3 5,97 •Ю-3 0,101 (4,48±0,5) •Ю-12

250 150 6,670 •Ю-3 6,145 •Ю-3 0,101 (4,43±0,6) •Ю-12

- - 8,45 •Ю-3 8,45 •Ю-3 0,101 (1,89±0,4) •Ю-12

250 200 8,3 •Ю-3 7,335 •Ю-3 0,101 (2,14±0,5) •Ю-12

300 750 7,375 •Ю-3 4,845 •Ю-3 0,101 (3,49±0,6) •Ю-11

300 750 7,375 •Ю-3 4,845 •Ю-3 0,051 (3,18±0,6) •Ю-11

берёза - - 12,580 •Ю-3 12,580 •Ю-3 0,101 (1,16±0,4) •Ю-11

270 300 12,580 •Ю-3 10.055 •Ю-3 0,101 (1,11±0,4) •Ю-10

- - 13,150 •Ю-3 13,150 •Ю-3 0,101 (1,17±0,4) •Ю-11

270 300 13,150 •Ю-3 11.012 •Ю-3 0,101 (9,51±0,8) •Ю-11

- - 12,040 •Ю-3 12,040 •Ю-3 0,101 (1,27±0,5) •Ю-11

300 750 12,040 •Ю-3 8,023 •Ю-3 0,101 (2,31±0,5) •Ю-10

5.4. Длительная прочность древесины

При решении задачи прогнозирования длительной прочности композиционных материалов при тепловом воздействии, сопровождающимся термической деструкцией, следует учитывать, что свойства материала меняются. Термодеструкция материала приводит к изменению его структуры, пористости и состава. Все это приводит к изменению физических, химических и физико-механических свойств. Изложенные выше подходы к описанию длительной прочности материалов не учитывают влияния этих изменений на время до разрушения.

Как уже отмечалось, разрушение компонентов древесного вещества происходит в разных диапазонах температур, это означает, что процесс термодеструкции древесины является многостадийным. При этом разрушаются различные физико-химические связи, соответствующие определенной стадии. То есть, исследования влияния стадий на физико-механические характеристики материала позволят получить зависимость длительной прочности термически модифицированной древесины от степени термодеструкции.

Ранее в работе были приведены результаты термогравиметрических исследований термической деструкции различных пород древесины. Были получены кинетические параметры - энергия активации Е, частотный фактор А и относительная масса а всех стадий процесса. С учетом изложенного, в общем случае, функция, описывающая длительную прочность материалов, при совместном действии механической и тепловой нагрузки может быть записана, как сумма функций, описывающих изменение свойств древесины при протекании каждой стадии термодеструкции:

Р (ЬЕ/ ( Л Т).

(5.34)

I=0

С учетом выражения (5.34) уравнение С.Н. Журкова, описывающее долговечность, как функцию напряжения и абсолютной температуры, принимает вид:

' ^0,0 - ^

т = т

ехр

+ ехр

ЯТ

и0,п - Уп°

ЯТ

+ ехр

' и 0,1 - ГЛ Л ЯТ

■ / (с)+... +

• / (с)

(5.35)

где /(а) - функция, учитывающая завершенность стадии; п - количество стадий термодеструкции материала. Функция /(а) принимает значения в интервале от 0 (стадия не началась) до 1 (стадия закончилась):

/ ч со - с

/ (с )= 1,нач 1

с

(5.36)

где с нач и с - начальная и текущая относительные массы 1-ой стадии соответственно.

Текущая масса 1-й стадии при известных кинетических параметрах термодеструкции исследуемого материла и его поля температур могут быть определены из соотношения (3.24).

В уравнении (5.35) первый член правой части соответствует долговечности материала, не подвергшегося термодеструкции, второй член - уменьшение долговечности после выхода первой стадии, третий член - уменьшение долговечности в результате выхода второй стадии и т.д.

Проведение экспериментальных исследований с использованием метода непредельного разложения позволяет определить значения энергетических констант и01 и структурно-чувствительных коэффициентов у^ для отдельных стадий термодеструкции и для материала, неподвергавшегося термическому воздействию.

Приведенная модель позволяет описывать длительную прочность древесины, подвергающейся термическому модифицированию независимо от параметров технологических режимов.

Подобным образом можно записать и другие критерии длительной прочности. Например, критерий Бейли, в интегральной форме (1.54), можно записать в виде:

Функция т0- характеризует материал в исходном состоянии, функции т -определяют изменение прочностных свойств материала при завершении отдельных стадий термической деструкции. Все эти функции определяются экспериментально.

Для проверки работоспособности предложенной модели были проведены экспериментально-расчетные исследования длительной прочности ДВП при сжатии. Данный материал был выбран в качестве модельного, так как он является изотропным и флуктуация свойств по координате значительно меньше, чем у древесины. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 5.15 [201].

т0 ),Т (())+ т ),Т (())• /(со,) +... + тя (((),т ())• / ( )

ж

(5.37)

Установка крепится к монтажной балке 1, заделанной в капитальную стену, для предотвращения влияния на результаты эксперимента колебаний и вибраций от внешних объектов. На основании 2 установлена цилиндрическая печь 5 с электрическим нагревателем 4. Образец материала 7 устанавливается внутри печи на опорную шайбу 6. Нагрузка на образец передается от емкости с водой 17, подвешенной на проволоке 12, через нагрузочный поршень 9. Перемещение поршня фиксировалось с помощью следящей системы состоящей из индикатора часового типа 13, штанги крепления индикатора 14, упорной пластины 15. Нагрузка образца менялась изменением массы воды в емкости. Исследования проводились при нагрузке а=сош1 и температуре Т=сош1;. Образец считался разрушенным, если его толщина менялась на 10 %. На рисунке 5.16 приведены зависимости времени до разрушения т от температуры.

Для описания длительной прочности образцов воспользуемся формулой Журкова. Уравнение можно записать в виде:

' и 0 - О

Т г = Т0 ■ еХР

V

ЯТ

(5.38)

где г - номер экспериментальной точки.

Из решения системы (5.38) получены значения энергетической константы

материала и0=1,56-105 кДж/моль и структурно-чувствительного коэффициента

2

у=1,78 (Джм )/(моль-Н).

Рисунок 5.15. Установка для исследования длительной прочности композиционных материалов: 1 - балка крепления установки; 2 - основание установки; 3 -клеммы нагревателя печи; 4 - обмотка нагревателя; 5 - корпус печи; 6 - опорная шайба; 7 - образец исследуемого материала; 8 - термопара; 9 - нагрузочный поршень; 10 - ось поршня; 11 - зажим; 12 - проволока; 13 - индикатор часового типа; 14 - штанга крепления индикатора; 15 - пластина; 16 - патрубок подвода воды; 17 - емкость для воды

Значения энергии активации процесса механической деструкции ДВП, как функции напряжения, представлены на рисунке 5.17. Точки - экспериментальные данные, линия - расчет:

и (ст) = и 0 - уст. (5.39)

103/Т, к-1

Рисунок 5.16. График зависимости времени до разрушения образца от температуры при

напряжениях а=0,0013 Па и а=0,0041 Па

Рисунок 5.17. Зависимость энергии активации процесса механической деструкции

ДВП от напряжения а

Для определения влияния термической деструкции ДВП на прочностные характеристики были проведены термогравиметрические эксперименты. Кинетические параметры деструкции приведены в таблице 27 [201, 203, 204].

После непредельного отжига образцов и определения их длительной прочности были получены кинетические параметры механодеструкции отдельных стадий. Результаты исследования приведены в таблице 28 [205, 206].

Таблица 27

Кинетические параметры термической деструкции ДВП

г Тн, К Тта%1 К Тк, К п 0)01 Е, Дж/моль А, с-1

1 289 348 423 0,9983 0,0364 0,187-105 0,5441-103

2 440 461 471 0,9874 0,0311 2,87-105 2,87-105

3 513 549 565 0,9976 0,1033 2,36-105 0,6132 1 023

4 541 568 581 0,9930 0,1233 3,31105 0,1185-1032

5 557 589 602 0,9933 0,1382 3,09-105 0,9625-1028

6 562 615 643 0,9990 0,5665 1,94105 0,2740-107

7 643 678 691 0,9960 0,0088 3,89-105 0,3352-1031

Таблица 28

Результаты расчетов кинетических параметров механической деструкции материала ДВП

г Ч ,с и0, Дж/моль у, (Дж-м2)/(моль-Н)

1 10- 12 1,56105 1,78

2 10- 12 1,50105 0,50

3 10- 12 1,50105 0,35

4 10- 12 1,60105 0,90

Для проверки адекватности разработанной модели долговечности материалов, подвергающихся термической деструкции, при совместном, нестационарном механическом и тепловом нагружениях, проводилось испытание образцов из ДВП. Запас долговечности рассчитывался из соотношения:

tpr dt

1 - Ba(t) = 1 - J-^^- , (5.40)

0 Zt ■ f fe)

i=1

где Ba(t) - значение критерия Бейли.

Погрешность в определении времени до разрушения образца находилась в интервале (0,5 4-17)%. На рисунке 5.18. приведены графики температуры и напряжения для одного из образцов. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных, приведенных на рисунке 5.19, позволяет сделать вывод о том, что предложенная математическая модель длительной прочности композиционных материалов, подвергающихся термической деструкции, является адекватной и удовлетворительно прогнозирует время разрушения образцов.

Рисунок 5.18. Графики изменения тепловой и механической нагрузки образца - - температура;......- напряжение

тэ тр

Рисунок 5.19. График изменения запаса долговечности образца

Для проведения исследования длительной прочности различных пород древесины под нагрузкой и влияния на свойства материала термического модифицирования была разработана и изготовлена экспериментальная установка. Схема установки приведена на рисунке 5.20. Установка представляет собой металлическую штангу 1, свободно вращающуюся вокруг оси 2. На штанге установлен упор 3, передающий нагрузку на образец 4. Штанга уравновешивается грузом 5. Образец лежит на упорах 6. Нагрузка создается грузами 7, которые могут перемещаться по штанге установки, меняя плечо L1. Подвешивая различные грузы и перемещая их по штанге, можно менять нагрузку на испытываемый образец в широких пределах. Для контроля перемещения свободного конца штанги и фиксации времени разрушения образца изготовлена специальная система измерения. Она состоит из многооборотного сопротивления СП5-21 (8), установленного на станине установки под перемещающимся концом штанги установки. На вал сопротивления намотаны два витка термопарной проволоки 9 диаметром й=0,2 мм. Один конец проволоки прикреплен к свободному концу штанги 1, на второй подвешивается небольшой грузик 10. Перемещение свободного конца штанги приводит к вращению вала многооборотного сопротивления и изменению соответствующих показаний, выводимых на регистрирующий прибор 11. Вывод и запись данных

происходит через определенные промежутки времени. Зная зависимость значения сопротивления от количества оборотов, можно определить степень деформации исследуемого образца. Резкое изменение значения сопротивления свидетельствует о разрушении образца.

ю

Рисунок 5.20. Схема экспериментальной установки для исследования длительной прочности на сжатие деревянных образцов

При выполнении работы проведены экспериментальные исследования длительной прочности при сжатии образцов из древесины сосны поперек волокон.

Влажность образцов составляла W = 10%, размеры (10х10х10) мм. Эксперименты проводились при постоянной температуре T = (18 ^ 22)0С при различных напряжениях.

Типичные графики изменения высоты образцов по времени представлены на рисунке 5.21. Эксперименты проводились при постоянной тепловой и механической нагрузке T = 293, К = const и о = 5-106 н/м2 = const. У всех образцов угол наклона годовых колец составлял 45о. Через АН обозначалось изменение высоты образца:

АН = Ннач - Нт, (5.41)

где Ннач и Нт - начальная и текущая высота образца, соответственно, мм.

Разброс размеров сжатия достигает 25 %, что видно из графиков. Вместе с тем профиль изменения высоты образцов во всех экспериментах одинаков. На первом этапе высота образцов уменьшалась до определенного значения. У образцов наблюдалась различная величина первоначального сжатия. На втором этапе скорость всех образцов была примерно одинаковой. Эту картину можно объяснить вариациями плотности образцов.

5

ДК мм

4

10

20

30

40 т, мин 50

Рисунок 5.21. Графики изменения высоты образцов при сжатии

3

2

1

0

1

0

Результаты экспериментальных исследований времени до разрушения при сжатии образцов древесины сосны представлены на рисунке 5.22 (сплошная линия - расчетные значения, точки - экспериментальные). Образцы для испытаний изготавливались из одной заготовки. Угол наклона годовых колец составлял а ~ 45о. Разброс плотностей образцов достигал 12 %.

Результаты исследований позволили сделать вывод, что образцы с большей плотностью имеют меньшее первоначальное сжатие и наоборот. Проверку наличия указанной зависимости можно провести приведением механической нагрузки к плотности:

к

Рг

1

Рт

И = И к

где рг и ртах - плотность 1-го образца и максимальная плотность образца соответственно, и - приведенная нагрузка.

График зависимости и(о) от механической нагрузки, приведенной к плотности образцов, приведен на рисунке 5.23.

Сравнительный анализ графиков, приведенных на рисунках 5.22 и 5.23, позволяет сделать вывод, что в случае приведения нагрузки дисперсия результатов значительно уменьшается. Дисперсия экспериментальных значений в первом случае составляет S=3,9•106. После приведении нагрузки дисперсия уменьшается до S=2,1•106. Таким образом, вариации экспериментальных данных уменьшились почти в два раза. То есть, существует зависимость кинетики механодеструкции от начальной плотности образцов.

Для определения средних кинетических параметров механической деструкции древесины проводились экспериментальные исследования длительной прочности при сжатии. Экспериментальные образцы изготавливались из разных заготовок, имеющих среднюю плотность р=580 кг/м . Исходя из полученных результатов, были рассчитаны: То = 10-12 с,

и = 1,522 108 Дж/моль, у = 12,9 (Дж-м2)/(моль-Н).

Определение зависимости кинетических параметров длительной прочности от степени термодеструкции проводилось при непредельном термическом разложении экспериментальных образцов. Режим нагрева выбирался таким образом, чтобы первая стадия потеряла половину своей начальной массы. На рисунке 5.24 приведены графики изменения относительной массы и температуры образца при термообработке. На рисунке 5.25 представлены результаты испытаний образцов после термического модифицирования.

а-10-6, Па

Рисунок 5.22. Силовые зависимости и(а) энергии активации процесса механического

разрушения образцов древесины

Рисунок 5.23. Силовые зависимости и(а) энергии активации от приведенной нагрузки

ю

0.995

0.99

0.985

0.98

/ \ / \ - ^ \ \ \

/ \ / х / / \ \ \ \ \

/ / / / \

/

10

15

500

Т, К

450

400

350

т, мин

300 20

Рисунок 5.24. Изменение температуры (пунктирная линия) и массы (сплошная линия)

образцов при отжиге

9

■л-7

и(а)-10

Дж/моль 8.5

7.5

• •

• • • • • • •

• • • •

• • •

3.6

3.8

4.2 4.4 4.6

а-10 , Па

Рисунок 5.25. Силовые зависимости и(а) энергии активации процесса механического разрушения образцов древесины после термообработки и выхода половины первой стадии

0

5

8

4

Проводилась термообработка образцов до полного выхода первой и половины второй стадий. Результаты механических испытаний образцов приведены на рисунке 5.26.

и(а)-10-7,

Дж/моль

8.5

7.5

6.5

2

•

• • •

• • ------ • • •

• •

2.5

3

3.5 а-10-6, Па 4

Рисунок 5.26. Силовые зависимости и(а) энергии активации процесса механического разрушения образцов древесины после термообработки и выхода первой и половины

второй стадии

Усредненные кинетические параметры механического разрушения образцов приведены в таблице 29.

Таблица 29

Результаты расчетов кинетических параметров механической деструкции образцов сосны

8

7

Описание образцов Ч ,с и0, Дж/моль у, (Дж-м2)/(моль-Н)

Немодифицированная древесина 10-12 1,522-108 12,9

Выход половины начальной массы первой стадии 1012 1,28108 11,22

Выход всей массы первой и половины начальной массы второй стадии 10-12 1,157108 12,02

Было проведено сопоставление силовых зависимостей и(о) для образцов из немодифицированной древесины и модифицированной при разных режимах. Соответствующие графики приведены на рисунке 5.27.

И(а)-10-7, Дж/мол^ ^

12

10

0 1 2 3 4 6 П 5

а-10 , Па

Рисунок 5.27. Силовые зависимости и(а) энергии активации процесса механодеструкции

образцов из древесины:-- немодифицированной; -о-о- - с выходом половины

начальной массы первой стадии; -•-•— - с выходом первой стадии и половины

начальной массы второй стадии

Исходя из результатов экспериментальных исследований (таблица 29) была получена в явном виде зависимость (5.35). Для двух стадий термической деструк-

ции уравнение имеет вид:

с

т = т

ехр

V V

и00

яг

ехр

и0,1 -Г1°

ят

/Щ)- ехР

и0,2 -У2°

ят

■/ Щ2 )

(5.42)

Функция /(а) определяется из соотношения (5.36). Была проведена статистическая обработка результатов экспериментальных исследований с использованием соотношений, приведенных в приложении 1. Доверительные интервалы кинетических параметров определялись с доверительной вероятностью Р=0,95. Значения параметров т, и, у приведены в таблице 30.

8

Таблица 30

Результаты расчетов кинетических параметров механической деструкции для уравнения (5.42)

Номер стадии ®нач U0, Дж/моль Y, (Дж-м2)/(моль-Н)

0 - 1,52200-108±2,33 107 12,9±6,103

1 0,023 1012 1,521996 108±1,458 107 12,901112±3,649

2 0,077 1,333737-108±1,086-107 12,065262±3,675

Термическое модифицирование древесины до выхода 3-й и следующих стадий и соответствующие механические испытания не проводились.

Таким образом, если известны параметры процесса термического модифицирования древесины по уравнению (3.24) могут быть рассчитаны текущие относительные массы отдельных стадий термической деструкции, а затем из выражения (5.42) определяется время до разрушения при сжатии образцов.

5.5. Цветовые характеристики термически модифицированной

древесины

Цвет это один из важных параметров термомодифицированной древесины. От него зависят декоративные свойства получаемого материала. Термическое модифицирование древесины приводит к изменению цвета, при этом, в зависимости от режимов обработки, цвет может меняться во всем объеме древесины. В некоторых случаях это делает возможным не проводить окраску изделий из ТМД и пропитку их защитными составами. Таким образом, встает задача прогнозирования изменения цвета при термическом модифицировании древесины.

Для использования в цифровой технике разработана модель идентификации цвета RGB. В RGB модели цвета определяются прибавлением к черному красной (Red), зеленой (Green) и синей (Blue) составляющих, имеющих различные значения интенсивности, то есть она является аддитивной.

Математически для определения цвета можно записать выражение: цвет= f(R,G, B), (5.43)

где R, о, B - значения интенсивности красной, зеленой и синей компонент, соответственно, составляющих данный цвет.

Термодеструкция сопровождается изменением состава древесины, что вызывает изменение цвета получаемого материала. Состав термомодифицированной древесины является функцией масс отдельных стадий ее термодеструкции щ (3.28) - (3.29). В этом случае все параметры цвета могут быть представлены как зависимости от щ:

R = Л (щ)

О = коЩ) . (5.44)

В = /в (Щ )

С учетом уравнений (5.44) выражение (5.43) может быть представлено в

виде:

цвет = ), О(ю,), В(ю1)). (5.45)

Необходимо определить функции, входящие в уравнения системы (5.44) в явном виде. Величины R, О и В, как функции относительных масс отдельных стадий термодеструкции древесины, могут быть описаны степенным многочленом вида:

Я(а) = aR + £bR. • щ. + £с^ • щ2 +... (5.46)

¿=1 ¿=1

п п

о(щ) = ао + £ Ьо. Щ. + £ Со. • щЩ +... (5.47) . =1 . =1

пп

в(щ) = ав + £Ьв• щ. + £св. • +.... (5.48) . =1 . =1

где а, Ь, с, - коэффициенты, входящие в уравнение регрессии, п - число стадий термической деструкции материала.

Для определения коэффициентов а, Ь, и с, необходимо проведение соответствующих экспериментальных исследований.

С целью определения функциональной зависимости цветовых параметров термически модифицированной древесины от степени термомодифицирования были проведены экспериментальные исследования с непредельным разложением образцов. Испытывались образцы из древесины, прошедшей тепловую обработку. Термическая модификация проводилась в вакуумной камере. Температура и время нагрева выбирались, исходя из условий определенной степени завершенности отдельных стадий термической деструкции, начиная с первой.

В качестве образцов использовались тонкостенные цилиндры, выточенные из древесины сосны и березы. Размеры цилиндров составляли: диаметр D =0,012 м, высота H = 0,055 м и толщина стенки Ах = 0,0015 м. Образцы помещались в вакуумную печь, где нагревались и выдерживались при заданной температуре. Нагрев обеспечивал определенную степень деструкции материала образца. Исходя из принятой модели изменения цвета древесины при нагреве, обеспечивалось завершение части, а затем всей стадии для каждого элементарного процесса термической деструкции, последовательно, начиная с первого.

Для идентификации цвета образцы, прошедшие термообработку, фотографировались с помощью цифрового фотоаппарата. При съемке образцы освещались источником рассеянного света тип «искусственный небосвод». Образцы снимались одновременно, что обеспечивало стабильность результатов по внешним параметрам. Для проверки адекватности цветопередачи фототехникой образцы фотографировались на белом фоне. Фотографии образцов приведены на рисунке 5.29. Полученные изображения образцов обрабатывались с помощью программы Photoshop. С ее помощью происходило осреднение цвета по поверхности одного образца и определение значений характеристик R, G и B. Результаты определения цветовых характеристик образцов приведены в таблице 31.

Для проверки адекватности предложенного метода идентификации цвета были проведены сравнительные испытания с помощью спектроденситометра. Цвет образцов, прошедших термическую обработку, идентифицировался с помощью портативного спектроденситометра Spectrodensitometer 500 Series фирмы X-Rite, предоставленного кафедрой техники и технологии цифровой печати

МГУП им. И. Федорова, который позволяет вычислять значения денситомет-рических и колориметрических параметров на основе анализа спектра при освещении типа d50. Результаты определения параметров цвета образцов представлены в таблице 32.

Для проерки адекватности предложенного метода идентификации цвета было проведено сравнение численных значений параметров R, G, B цвета немо-дифицированной древесины, полученных с использованием портативного спек-троденситометра Spectrodensitometer 500 Series фирмы X-Rite (таблица 32) и с использованием цифровой фототехники с дальнейшей обработкой изображений программой Photoshop (таблица 31). Анализ результатов показывает, что расхождение экспериментальных значений не превышает 20 %. Это совпадение можно считать удовлетворительным.

1б 4б 2б

0с

2с

5с

Рисунок 5.29. Фотографии образцов, прошедших термическую отработку образцы № 0б, 1б, 2б, 3б, 4б, 5б, 6б - береза; образцы № 0с, 1с, 2с, 3с, 4с, 5с, 6с, 7с - сосна

0.4

Ю

0.3 0.2 0.1 0

3 3 3 3 3

1.5x10 2x10 2.5x10 3x10 Т, с 3.5x10

Рисунок 5.30. Относительные массы 1-й , 2-й и 3-й стадий термической деструкции древесины образцов: - - 1-я стадия,..........- 2-я стадия,---- 3-я стадия

-------

X \ \ \

\ \ \

\ \ \

Таблица 31

Результаты определения цветовых характеристик образцов с использованием фотосъемки

№ п/п Относительная масса стадии при Цветовые характеристики

W\ W2 Wз W4 W5 Wобщ Я в В Ь* а Ь* А, нм Р, % Р, %

Береза

Натуральная древесина 0,026 0,119 0,571 0,134 0,151 1,000 226 217 205 87 2 7 577 86 10