Обезвоживание древесины при прессовании и сушке

Причем в настоящее время нет универсальных технологических решений по переработке низкотоварной древесины в товарную продукцию, в то время как ее роль в качестве топлива ежегодно снижается. Вместе с тем модифицированная путем пропитки и прессования низкотоварная древесина может использоваться для производства широкого ассортимента конструкционных, декоративных, защитных и т.п. изделий. Вид получаемой продукции будет зависеть от способа и режима обработки. Основными и традиционными технологическими приемами модифицирования древесины для улучшения ее свойств являются обезвоживание, пропитка, прессование и термическая обработка, в том числе и сушка, заготовленных образцов. Наряду с этими приемами древесину подвергают также воздействию ультразвука, электромагнитных полей, радиации и т.д. Материалы пропитки выбираются исходя из целей и поставленных задач.

Для повышения биологической стойкости древесины применяют антисептики, для обеспечения огнезащитных свойств – антипирены, для повышения электрических свойств используют парафин, для изменения цвета – красители, а для повышения пластичности – карбамид и т.д. С помощью обезвоживания (механического, термического или электрокинетического) удаляют лишнюю влагу из пор, влияющих на изменение свойств древесины, прессование обусловливает увеличение ее плотности и прочности, а термообработка закрепляет приобретенные свойства. Таким образом, максимальный эффект в ходе модифицирования древесины достигается при оптимизации параметров всех этих процессов и совместной реализации адекватных технологий. Применение необходимых при этом технологических процессов невозможно без детального изучения структурных особенностей древесины, поскольку именно структура влияет на плотность, пористость и проницаемость материала.

Анализ значимости технологических факторов и показателей получения модифицированной древесины, а именно: исходной плотности древесины в абсолютно сухом состоянии (ρо) и конечной плотности (ρ), необходимого предела прочности на сжатие (σсж), исходной влажности (Wо) и влажности (W) в процессе увлажнения, степени прессования (Сп), температурных значений древесины (Тд), термообработки и сушки (Т) и ряда других, позволил сделать вывод о том, что основными показателями (суммарный удельный вес в общей оценке значимости результатов достигает 55%) эффективности процесса модифицирования древесины являются такие параметры, как ρ и σсж.

При изучении свойств коры деревьев в диапазоне изменения ρ= 300–700 кг/м3 установлено, что между показателями ρ и σсж существует тесная корреляционная связь. Если допустить, что аналогичная связь характерна и для древесины, то можно сделать вывод о том, что универсальным превалирующим показателем эффективности модифицирования древесины является ее конечная плотность. В результате обобщения данных для различных пород сухой древесины влажностью не более W = 5% в диапазоне изменения их плотности ρ = 700–1400 кг/м3 получена зависимость σсж от ρ, которая с высокой точностью выражается формулой:

Достижение заданной величины ρ зависит от исходного показателя ρо, который, в свою очередь, зависит от плотности древесинного вещества ρд и объемной пористости древесины Сv, %:

причем величина ρд слабо зависит от породы деревьев и изменяется в узком диапазоне ρд = 1530–1540 кг/м3.

Увлажнение абсолютно сухой древесины приводит к увеличению плотности, причем рост показателя влажности до 30% увеличивает количество гигроскопической (связанной) влаги в древесине, а дальнейшее увеличение влажности не приводит к росту объема образца древесины. Зависимости плотности влажной древесины ρ от значений W, ρо и коэффициента объемного разбухания Ср существуют для двух состояний влажности: до и после достижения значения Wг:

На графике 2 представлен график зависимости относительной величины Kw = ρ/ρо от W и Ср. Совокупное влияние влажности и коэффициента объемного разбухания даже в относительно небольшом диапазоне изменения их значений приводит к достаточно существенному (до 30%) увеличению плотности древесины по сравнению с показателями в абсолютно сухом состоянии. Влияние увлажнения на величину σсж и жесткость древесины абсолютно иное. Так, на процесс снижения прочности древесины с ростом влажности в диапазоне изменения W ≤Wг влияет только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках, причем на 1% роста W величина σсж снижается на 2%.

На графике 3 в результате использования полученных соотношений при фиксированном значении Ср = 0,25 отражены результаты исследования влияния влажности на величину предела прочности на сжатие σсж древесины для трех значений величины объемной пористости (Сv). Как следует из анализа данных, угловой коэффициент в полученных линейных зависимостях, характеризующий интенсивность снижения σсж величины с ростом влажности, снижается в два раза (с –1,577 до –0,7882) при росте величины объемной пористости в пять раз (с 10 до 50%).

Таким образом, можно обобщить полученные результаты для оценки характеристики прочности образцов древесины на сжатие в виде функции двух переменных – влажности и объемной пористости:

Для повышения пластических свойств древесины широкое применение получили растворы карбамида. Деформационные свойства древесины значительно увеличиваются при прессовании поперек волокон. Сама по себе пропитка не приводит к улучшению свойств древесины, а нужный эффект достигается при дальнейшем обезвоживании образцов со снижением влажности с 50 до 2–3%. Причем сушку под давлением осуществляют в циклическом режиме, повышая температуру до 120–140°С, а давление – до 0,7–1,5 МПа. Достижение заданных показателей прессования в 30–50% происходит в течение 15–20 часов.

Существует аналогичная технология прессования, однако при температуре в 132°С происходит плавление карбамида, и разогрев образцов необходимо продолжить до температуры 170°С. В этом случае карбамид превращается в биурет – вещество, характеристики которого соответствуют органическим полимерам. Выделяемый при этом горячий аммиак активно взаимодействует с целлюлозой и лигнином, а повышение пластических свойств древесины позволяет увеличить давление прессования до 2,5 МПа без критических деформаций и разрушения материала. Кроме того, при достижении величины давления в 1,5–2,5 МПа температура кипения воды значительно возрастает, достигая значений 180°С, т.е. процесс сушки под давлением реализуется в режиме, когда жидкость в пар не переходит. Эта технология прессования и сушки способствует уменьшению толщины образцов в 1,5–3,5 раза, а общее время обработки сокращается до 2–3 часов.

Циклический характер прессования обусловливает необходимость учета реологических свойств и модели среды – диаграмм «напряжение-деформация», кривых ползучести, времени релаксации и т.д. Очевидно, что влажность оказывает влияние на все указанные характеристики среды. При этом наличие карбамида ускоряет сорбцию влаги и показатели влажности обработанной древесины устойчивее и выше, чем аналогичные показатели влажности натуральной древесины. Это особенно важно учитывать в моделях среды при изучении процесса сушки и термообработки. Наряду с механическими деформациями древесины под давлением в поле высоких температур имеют место и температурные деформации, которые зависят от направления деформирования и коэффициента линейного расширения древесины (α), характеризующего увеличение единицы длины материала при нагревании на 1°С.

В таблице 2 приведены значения величины α∙10-6 (1/град) поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях для трех пород древесины. Для различных пород древесины наблюдается устойчивость значений коэффициента линейного разбухания древесины в различных направлениях поперек волокон. Вдоль волокон аналогичные показатели в 7–10 раз меньше, т.е. фактор температуры является более существенным при реализации прессования образцов древесины поперек волокон.

Оценить температурные деформации (εТ) и обусловленную этим величину давления (PТ) в клетках древесины можно, базируясь на основных положениях так называемых температурных задач механики разрушения. В частности, отмечается, что если внутренние элементы материала не имеют возможности свободно деформироваться, то могут возникать достаточно большие внутренние напряжения, приводящие к разрушению образца, а температурные деформации пропорциональны величине αТ. Таким образом, тепловой поток обусловливает дополнительное давление внутри элементов материала и соответствующие температурные деформации, равные:

, где Е – модуль Юнга, а ν – коэффициент Пуассона.

В частности, при исходных данных для образцов влажной березы, а именно: α = 33,7∙10-6 (1/град), W = 50%, ρ = 760 кг/м3, Е =138 МПа, ν = 0,3 и Т =140оС с использованием этой формулы получим величину температурного давления PТ = 0,47 МПа, что представляет собой существенный фактор влияния на процесс прессования древесины. Очевидно, что характер и закономерности деформирования образцов зависят от способа создания избыточного давления в определенном температурном поле, а также от формы и размеров инструмента прессования (штампа) в процессе его воздействия на массив древесины.

Наибольшее распространение получили традиционные технологии прессования под плоским прессом (штампом), когда площадь контактной поверхности штампа превосходит или в точности совпадает с площадью образца. В том случае, когда прессование круглых образцов осуществляется с помощью плоского пресса, в начальный момент времени имеет место точечный контакт, который по мере развития процесса деформирования древесины трансформируется в плоский случай. В направлении силы сжатия прессование обеспечивает уменьшение диаметра круглых образцов в 2–2,5 раза, в частности, при производстве шпал – с 250 до 100 мм.

Существует технология прессования, когда конструктивно штамп в виде пуансона давит на плоский клин. Этот случай также можно отнести к технологиям точечного контакта, однако при этом давление на древесину действует не на всю площадь образца, а является пространственно-переменной величиной при постоянных геометрических параметрах контакта. При использовании данной технологии прессования снижается интенсивность процесса разрушения, представляется возможным повысить скорость прессования образца (Vn), его плотность и прочность. Перспективным является случай, когда ширина образца древесины меньше ширины пресса, имеющего искривленный профиль в виде валков, движущихся с заданной скоростью (Vв). При таком способе прессования углубление валков на глубину (h) при начальной высоте образца (H) вызывает в направлении действия силы сжатия вертикальные деформации ε = h/H, а вертикальное давление для упругого тела составляет величину qв= Eε.

Насыщенная влагой древесина рассматривается как упругое фильтрационное тело, а скорость истечения жидкости (Vж) по мере сжатия валков затухает во времени по экспоненциальной зависимости и в соответствии с законом Дарси зависит от целого ряда параметров – удельного объема порового пространства (Си) в объеме древесины, занятого жидкостью; коэффициента проницаемости среды (kп) (площади сечения (sк) канала пористой среды, по которой происходит фильтрация жидкости); динамической вязкости жидкости (γ); скорости прессования (Vn) (погружения штампа в материал древесины); ширины (b) и высоты (H) образца, погружения штампа (h); qв и Е. Скорость истечения жидкости можно рассчитать по формуле:

а время to релаксации обезвоживания при истечении жидкости в пределах слоя h можно определить как:

Влияние температуры термообработки и сушки не учитывается как при определении скорости истечения жидкости, так и времени релаксации обезвоживания, хотя ранее произведенные оценки влияния температуры на величину температурных деформаций свидетельствуют о том, что при расчетах скорости истечения жидкости и времени релаксации обезвоживания такой учет является необходимым. Фактор температуры оказывает существенное влияние и на величину динамической вязкости жидкости, в частности, воды (график 4).

Повышение температуры от комнатной (20°С) температуры до температуры кипения (100°С) обусловливает снижение величины динамической вязкости жидкости в 2,5–3 раза, причем этот параметр является линейным коэффициентом при определении времени обезвоживания древесины. Одним из основных параметров процесса прессования является величина вертикальное давление. Более точно можно оценить величину вертикального давления, если учесть результаты исследований проф. Григорьева И.В. при вдавливании штампа в различные материалы. Величину вертикального давления можно определить в виде формулы:

Как видно из данных, отраженных на графике 5, уже при b/H <0,9 величина Δqв превышает 10%.

При определении параметров напряженно-деформированного состояния материала, оценке его реологических свойств и времени релаксации необходима информация о модуле Юнга Е – одной из основных характеристик процесса упругопластического прессования древесины. Величина Е зависит от направления прессования, влажности, плотности материала и температуры. Учесть влияние всех перечисленных факторов в рамках одной аналитической формулы представляется неразрешимой задачей, так как расхождение опытных данных с теоретическими оценками достигает 3–8 раз. В таблице 3 при влажности различных пород древесины W=15% представлены значения Е вдоль волокон (Ев) и поперек волокон в радиальном (Еr) и тангенциальном (Еt) направлениях. При росте (снижении) влажности на 1% величины Е необходимо уменьшать (увеличивать) на 2%.

Данные таблицы 3 свидетельствуют о существенной анизотропии упругих свойств древесины. При обезвоживании древесины достаточно широкое применение получил автоклавный способ создания избыточного давления, когда образцы древесины испытывают объемное сжатие. При использовании автоклавной технологии достигают избыточного давления в 1,5–2 МПа и сушку производят при температуре 140–150°С в течение 12–13 часов. В этом случае удается высушивать древесину, снижая ее влажность с 70–80% до 3–5%. В случае прессования без использования пресс-форм рекомендуется циклическое уплотнение образцов с такой скоростью прессования, при которой в заданном температурном поле величина поперечной деформации составит:

где μ – коэффициент бокового распора, в течение всего периода времени сушки не превышала бы величины деформаций усушки εу в направлении, перпендикулярном направлению действия сжимающей нагрузки. Величина εу зависит от коэффициента усушки древесины Ку и степени снижения влажности W:

В таблице 4 приведены данные коэффициента усушки ряда образцов древесины поперек волокон в различных направлениях. Эта величина изменяется в достаточно широком диапазоне значений, причем усушка в тангенциальном направлении для хвойных пород древесины в среднем в 1,7–1,8 раза превосходит усушку в радиальном направлении, тогда как для лиственных пород это отношение снижается до 1,2–1,6.

Таким образом, прессование древесины целесообразно производить в направлении минимальной усушки. Если для образцов березы этот фактор можно считать малозначимым, то для других пород – существенным. Целью всех перечисленных способов прессования древесины является обеспечение таких параметров процесса, при которых достигается получение образца с заданной плотностью и прочностью без образования трещин и дефектов.

С позиций механики деформируемого твердого тела и контактных задач разрушения необходимо разработать математическую модель прессования пропитанной древесины в процессе ее сушки под давлением, в рамках которой воздействие сил сжатия может быть различным по своей природе: одномерным, двумерным и объемным, а по форме штампа – плоским, цилиндрическим, клиновидным и точечным. Кроме того, одновременное прессование и сушка древесины требуют учета в математической модели закономерностей ее деформирования в поле высоких температур на базе фильтрационных особенностей обезвоживания насыщенных влагой образцов. Циклический характер действия сил избыточного давления и обусловленные этим фазы упругого и вязкопластического деформирования образцов, исключающих их разрушение, требуют адекватного соответствия временных характеристик релаксации обезвоживания и напряжений по мере развития процесса прессования и сушки различных пород древесины.