МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ



Реферат

МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

1. Общие сведения о древесине

Древесина широко распространена по всему земному шару. В России произрастает пятая часть мировых запасов древесины. Запасы древесины, млрд.м3: Бразилия - 80; Россия - 40; Канада - 27; США - 23; Швеция - 2,5; Финляндия - 1,6. Около 2/3 запасов составляет хвойная древесина. На Балканах растет практически только лиственная древесина, преимущественно ценных пород.

Достоинства древесины: высокая прочность, малая плотность, низкая теплопроводность, легкость обработки, гигиеничность, самовосполняемость запасов.

Недостатки: анизотропия свойств, гигроскопичность, загниваемость, горючесть.

Качество древесины определяется породой дерева, его структурой и свойствами, общим состоянием и количеством пороков.

Область применения. Из древесины возводят деревянные конструкции, применяют для наружной и внутренней отделки, изготавливают композиционные материалы из отходов древесины (древесностружечные плиты ДСтП, цементностружечные плиты ЦСП, арболит, ксилолит и др.).

Особенно широко применяютхвойную древесину (сосна, лиственница, пихта, ель) при изготовлении несущих конструкций (фермы, балки, сваи, пролетные строения мостов, опалубка).

Твердые лиственные породы (дуб, бук, ясень) используются для изготовления мелких деталей - шпонок, нагелей и как отделочный материал в виде шпона, декоративной фанеры.

При переработке более половины древесины (до 60%) идет в отходы. Отходы используют при изготовлении: древесных плит, бумаги, спиртов, кислоты и т.д.

Мировая тенденция заключается в увеличении масштабов использования древесины, экономному  и эффективному применению древесины в строительстве, более полному использованию отходов и низкокачественной древесины путем их комплексной переработки с применением достижений современной химии.

Перспективные направления: защита деревянных конструкций от гниения и возгорания; клееные деревянные конструкции; древесные плиты, пластики, фанера; химическая переработка отходов (бумага, спирты, кормовые добавки для скота).

Для эффективного использования древесины необходимо знание ее свойств, методов рационального применения, средств и способов защиты.

Строение древесины.

Макроструктура (видимая «невооруженным» глазом):1 - кора, 2 - луб, 3 - камбий, 4 - заболонь, 5 - ядро, 6 – сердцевина (рис. 1).

Рис. 1. Поперечный срез

              ствола дерева

На поперечном срезе древесины просматриваются годовые кольца, которые состоят из светлой и темной полос (ранняя и поздняя древесина).

Основное вещество древесины – это целлюлоза (50%), а также  лигнин (25%) и гемицеллюлозы (25%).

Древесные породы:ядровые - дуб, сосна, кедр, лиственница, ясень;спелодревесные (не отличаются по цвету ядро и заболонь) - ель, пихта, бук, осина;заболонные -  береза, клен, ольха, липа.

   Рис. 2. Целлюлоза

Микроструктура древесины (видна под микроскопом)  - это клетки трубчатой формы (проводящие клетки, сердцевинные лучи).

2. Свойства древесины

Для правильного определения области применения древесины в строительстве необходимо знать ее свойства.

Физические свойства:

  1. Плотность - 400-700 кг/м3 (пихта 390, сосна 540, лиственница 790). Истинная плотность - 1,54 г/см3. Плотность, определенную при конкретной влажности древесины, принято пересчитывать при стандартной 12%-ной влажности древесины

12%= [1 + 0,01 (1 - К0) (12 -W)],                  (1)

где К0 = 0,6 (береза, дуб, бук, лиственница) и К0 = 0,5 (осина, сосна, ель).

  1. Гигроскопичность. Предел гигроскопичности (предел насыщения волокон) 30%.
  2. ВлажностьW

     Рис. 3. Коробление

              досок

При высушивании древесины наблюдается  усушка и короб-

     ление: вдоль волокон - 0,1%; в радиальной плоскости - 3-6%; тангенциальной - 6-12%.

  1. Теплопроводность сухой древесины поперек волокон 0,17 Вт/м0К. Влажность определяют высушиванием или с помощью электровлагомеров. Диапазон измерения влажности древесины электровлагомером (ЭВ-2М) составляет от 7  до 30%.
  2. Стойкость древесины, особенно хвойных пород, весьма высока (растворы солей, щелочей, органические и минеральные слабые кислоты). Плохо сохраняется древесина в морской воде. Разрушают ее и концентрированные растворы минеральных кислот (азотная в любой концентрации). Наиболее стойка в агрессивных средах смолистая древесина лиственницы.

Цвет древесины определяют дубильные вещества. Текстура (рисунок на поверхности) весьма разнообразна. Древесина, в отличие от других строительных материалов, имеет приятный душистый запах (смолы, эфирные масла).

Механические свойства.

Прочность древесина максимальна при нулевой влажности и быстро снижается с ростом влажности до предела гигроскопичности (рис. 4).

Рис. 4. Влияние влажности древесины (W) на ее прочность при статическом изгибе (Rf)

Показатели прочности древесины также пересчитывают на стандартную влажность:

12% =w[1 + (W - 12)],                                  (2)

где = 0,04 - для сжатия и изгиба, = 0,03 - скалывание.

Прочность древесины при сжатии: вдоль волокон - 50МПа; поперек - 20МПа. Прочность при изгибе - 100МПа. При растяжении - 130МПа (сталь - больше в 15 раз, стеклопластики - больше в 3 раза). Модуль упругости при изгибе - 104МПа.

Сильно снижают прочность пороки древесины. Пороки: сучки (здоровые, загнившие, сросшиеся, несросшиеся); трещины (метиковые, морозные); пороки формы ствола (кривизна, закомелистость); пороки строения древесины (наклон волокон, двойная сердцевина); химические окраски; грибные поражения; червоточины; механические повреждения.

3. Методы повышения долговечности древесины

Известны факты длительного хранения древесины. Тысячелетия сохранялась древесина в гробницах фараонов и миллионы лет - в окаменевшем состоянии. Сухая древесина может служить очень долго. Для древесины опасно переменное увлажнение, вызывающее ее загнивание (рис. 5).

Рис. 5. Зона переменного увлажнения и загнивания

                столба

Химическая стойкость древесины весьма высока, известны случаи многолетней эксплуатации деревянных конструкций в агрессивных средах (лотки сточных вод, чаны, электролизные ванны). Наибольшую стойкость и долговечность в таких условиях показывает лиственница.

Сушка древесины: естественная сушка (штабельная укладка с защитой торцов - известь, клей, соль) от 2-3 месяцев до 1,5 лет (W - 15%); искусственная сушка - до 6-10%. Сушильные камеры непрерывного и периодического действия: пар (70-800), горячий воздух (50-600). Аэродинамические сушилки. Продолжительность сушки в таких камерах составляет 3-6 суток.

Существуют и более скоростные способы сушки древесины. Контактная сушка шпона в прессе. Сушка древесины токами высокой частоты. Скоростная сушка в петролатуме (8-12 часов,t = 1300С). Сушка древесины токами высокой частоты и скоростная сушка наиболее качественны, но дороги.

Защита от гниения. Гниение древесины – это разложение целлюлозы на глюкозу, увлажнение и деструктивные изменения древесины. При влажности древесины 18-20% - в ней начинают развиваться споры лесных, складских или домовых грибов.

Существуют простые меры защиты древесины от загнивания: сушка, вентиляция, предохранение от увлажнения. При необходимости могут применяться и более эффективные способы защиты.

Антисептики (в Древнем Риме - нефть, битум):водорастворимые: фторид натрияNaF; кремнефторид натрияNa2SiF6; борная кислота и бура техническая; пентахлорфенолят натрия (органический)[ограниченное применение];маслянистые: антраценовое масло (при перегонке каменного угля); сланцевое масло; креозотовое масло (при дистилляции каменноугольного дегтя).

Способы антисептирования: поверхностная обработка (антисептирующие пасты); горяче-холодные ванны; автоклавная (под давлением до 1,5МПа); модифицирование синтетическими полимерами.

Предохранение от возгорания.Температура воспламенения древесины 250-3000 (самовоспламенение при 3500). Длительный нагрев древесины при 120-1500 может также привести к ее самовоспламенению.

Для испытаний на огнестойкость изготавливают образцы 30х60х150 мм. Если при огневых испытаниях потеря массы образцов не превышает 9% - то это трудносгораемый материал, меньше 20% - трудновоспламеняемый.

Конструктивные меры защиты от возгорания: удаление от источника тепла; негорючие перегородки (брандмауэры); покрытие асбестом, штукатуркой (что применялось еще в крепостях Древнего Рима).

Эффективны и огнезащитные краски (жидкое стекло, мел, песок, красители). Для огнезащиты применяются также лаки и краски на полимерной основе (меламино-мочевино-формальдегидные смолы).

Антипирены: фосфаты и сульфаты аммония  (NH4)2SO4, (NH8)2PO3(разлагаются с выделением серной или фосфорной кислоты с обугливанием древесины); бура (борно-натриевая соль)Na2B4O7. 10H2O - выделяются пары воды; вспучивающиеся покрытия (на основе фурановых соединений, полимерсиликатов).

4. Модифицированная древесина

Под модифицированием древесины понимается пропитка заготовок жидкими олигомерами или мономерами с последующим отверждением в порах древесины. При этом между полимером-модификатором и древесиной образуются химические, физико-химические и механические связи. Модифицированная древесина является композиционным древесно-полимерным материалом, обладающим свойствами и древесины, и полимера.

Помимо модифицированной древесины (МД), в группу древесно-полимерных композиционных материалов (ДПКМ) входят: древесностружечные плиты (ДСтП), древесно-наполненные пластмассы (ДНП), древесноволокнистые плиты (ДВП), древесно-слоистые пластики (ДСП):

                                              ДПКМ

                          ДСтП   ДНП   МД   ДВП   ДСП

Модификаторы: стирол; метилметакрилат; фенолоформальдегидные и карбамидные смолы; фурановые соединения.

Достоинства и недостатки полимеров-модификаторов:

Достоинства:

Недостатки:

- прочность (до 600МПа);

- ползучесть под нагрузкой;

- химическая стойкость;

- гидрофобность;

- выделение вредных веществ при пропитке и эксплуатации;

- водостойкость;

- дефицитность;

- износостойкость.

- высокая стоимость.

Свойства модифицированной древесины:

- прочность;

- износостойкость;

- формостабильность;

- малое набухание и водопоглощение;

- химическая стойкость.

Модифицированию в основном подвергается древесина малоценных лиственных пород: береза, осина, ольха, тополь.

1.Химическое - обработка аммиаком, уксусным ангидридом,

     изменяющих структуру клеточных стенок древесины.

  1. Термохимическое - пропитка синтетическими олигомерами и мономерами с последующей термообработкой.

Радиационно-химическое - пропитка мономерами с последующим облучением гамма-лучами.

Термомеханическое - термообработка с последующим прессованием.

Применение модифицированной древесины

Первые опыты по модифицированию древесины полимерами проведены еще в начале ХХ века. В 30-е годы Германия и США широко использовали модифицированную древесину в авиастроении и электротехнике. В настоящее время модифицированная древесина производится в США, Канаде, Германии, Англии, Польше, Финляндии, Японии, России. Только в США работает 160 фирм, производящих изделия из модифицированной древесины.

Сферы ее применения: строительство, машиностроение, металлообработка, деревообрабатывающая промышленность, легкая промышленность, горнодобывающая промышленность, транспорт, энергетика, археология.

1. Строительство.

Лицевое покрытие пола (паркет).Лигнамон – древесина, пропитанная аммиаком и подвергнутая горячему прессованию. Радиационно модифицированная древесина (модификаторы стирол, метилметакрилат). В США красный дуб модифицируют полимерами. Финляндия, Япония, Польша, Австрия - паркет общественных зданий (спортзалы, танцзалы, выставки, магазины, школы, казармы, театры, аэропорты). Стоимость паркета из модифицированной древесины втрое выше натурального. Но зато он износостоек, водостоек, декоративен, имеет малые эксплуатационные расходы (не нуждается в циклевке, натирке мастикой, лакировке). Из модифицированной древесины изготавливают также решетчатые полы для животноводческих ферм. В Польше – полы железнодорожных вагонов из модифицированной стиролом древесины (лигномер).

2.Строительные детали и конструкции.

Модифицированную полимерами (модификатор фенолоспирты) применяют в конструкциях градирен, бункеров, складов минеральных удобрений. Модифицированная древесина работает в агрессивных средах химических производств. Из нее изготавливают лестничные ступени, поручни, перила (США, Россия), опалубку (Польша), скамейки в парках и на стадионах (Белоруссия, Украина), встроенную мебель и столярно-строительные изделия (США).

3. Деревообрабатывающая промышленность.

Мебель.Лигнамон - стулья, кресла, столики. Облицовка мебели под дуб, орех и др. Гнутые детали.

Прочие детали. Обода колес, шары для шаровых мельниц, модели судов, гардеробные вешалки, мебельная фурнитура, снеговые щиты, виноградные шпалеры, столбы, опоры электропередач, тара, ручки слесарных инструментов.

4. Археология.

Для снижения усушки и повышения формостабильности, сохранения археологических находок. Пропитка фенолоспиртами и полиэтиленгликолем - морские суда (США, Швеция), деревянные постройки (Россия).

В технологии модифицирования наибольшее распространение получилитермохимическое и радиационно-химическое модифицирование древесины. Сущность которого заключается в пропитке мономерами и олигомерами с последующей полимеризацией или поликонденсацией. В результате образуется наполненная полимерами древесина или древесно-полимерный композиционный материал (ДПКМ).

Модифицированная древесина в разных странах выпускается под фирменными названиями:лигномер (Польша),импрег или древесно-пластмассовый материал ДПМ (США), модифицированная древесина или ДПКМ (Россия).

При модифицировании улучшаются свойства древесины:

  1. Повышается формостабильность за счет образования полимера в клеточных стенках древесины (в набухшем при пропитке состоянии).
  2. Повышается прочность за счет заполнения высокопрочным полимером полостей клеток.

Для оценки степени пропитки древесины полимерами применяется сравнительный параметрm =m /V. Степень наполнения древесины полимером:

S = (mmod -mnat) /mnat.              (3)

Модификаторы древесины (береза, осина, ольха):

Радиационно-химический способ:

Термохимический способ:

Акрилонитрил (АН)

Глифталевые смолы

Винилацетат (ВА)

Карбамидные

Метилметакрилат (ММА)

Фенолоспирты (ФС)

Стирол

Фурановые смолы (ФрС)

Полиэфирные смолы

Эпоксидные смолы (ЭС)

(ненасыщенные)

В клеточные стенки древесины легко проникают фенолоспирты, фурановые смолы, труднее акрилонитрил, стирол, ММА.

В качестве пластификаторов при пропитке используют дибутилфталат, диэтиленгликоль.

Табл. 1 Свойства полимеров-модификаторов

Полимер

m,кг/м3

Rc,МПа

Rf,МПа

,кДж/м2

ПММА

1200

70

99-121

13-15

ПСт

1050

80-100

80-100

1,5-22

ПЭфир

1100-1500

80-140

25-130

2-15

ПФС

1250-1380

140-200

50-100

10-20

ПФрС

1250-1450

120

50

4

ПЭ С

1160-1250

100-240

70-140

5-40

Технология модифицирования состоит из двух стадий: первая стадия - пропитка; вторая стадия - отверждение.

    Рис. 6. Пропиточная установка:

          1 – вакуум-насос; 2 – автоклав;

          3 – пакет заготовок; 4 - расходная

          емкость

Пропитка заготовок проводится обычно в автоклавах. По способу «вакуум - атмосферное давление», «вакуум – избыточное давление» или «вакуум - давление – вакуум». Давление может создаваться посредством инертных газов (азота).

Отверждение модификатора: термохимическое или радиационно-химическое. Процесс образования полимера в капиллярах древесины происходит под действием нагрева (или-излучения) с использованием инициаторов твердения.

Достоинства термохимического способа: не требуется больших капиталовложений; не нужны специальные меры защиты; применимость при малых мощностях; более широкий ассортимент пропиточных веществ.

Инициаторы твердения при повышении температуры разлагаются и образуют активные центры полим