Влияние термообработки и пропитки полимерным составом на прочностные и деформативные свойства древесины

Введение

Древесина как материал известна человечеству с давних времен. Ее использовали для создания орудий труда, мебели и строительства. Натуральная древесина является конструкционным материалом сравнительно невысокой прочности, потому актуальна разработка новых способов повышения прочностных и деформативных свойств древесины для расширения областей ее применения.

Одним из вариантов модификации является термообработка. Этот процесс заключается в нагреве древесины до определенной температуры, что приводит к изменению ее структуры и свойств. Так, термообработанная древесина становится более устойчивой к гниению, не подвержена воздействию вредителей, значительно уменьшается ее способность к влагопоглощению, при этом древесина сохраняет свою естественную текстуру и красоту.

Еще один способ модификации – пропитка древесины жидкими термоотверждающими полимерными составами (стабилизация древесины). В результате древесина становится полностью не подвержена биологическим воздействиям, имеет околонулевой процент влагопоглощения (это особенно важно для древесины, которая находится в условиях повышенной влажности), а также повышается ее износостойкость (актуально для отделочных материалов, орудий труда, мебели).

Далее на основе натурных образцов термообработанной и пропитанной древесины необходимо рассмотреть изменение прочностных и деформативных свойств, а также напряженно-деформированное состояние (НДС) на основе результатов расчета образцов в программном комплексе ANSYS.

Экспериментальная часть

Для определения прочностных и деформативных характеристик были проведены натурные испытания образцов. Для этого были изготовлены деревянные бруски с размерами 50 × 50 × 200 (h) мм из сосны второго сорта.

Процесс термообработки древесины производится в специальной вакуумно-сушильной камере, в которой материал плавно нагревается в течение нескольких часов до температуры 170–190 °C (в безвоздушной среде) и находится в таком состоянии в течение 5–6 часов, в зависимости от сорта и твердости древесины, что приводит к изменению свойств древесины. Древесина приобретает темный оттенок, сравнимый с коричневым или шоколадным цветом, который усиливает естественные узоры и текстуру дерева (рис. 1).

Пропитка жидкими термоотверждающими полимерами (состав фирмы 100TERM) для стабилизации древесины аналогично термообработке производится при помощи вакуумирования в специальной камере в течение нескольких часов (рис. 2а). При отсутствии вакуумной камеры древесину можно оставить погруженной в состав в течение нескольких недель. Полимеры проникают в поры древесины, а затем запекаются в печи при температуре 100–120 °C, в зависимости от применяемого полимера (рис. 2б). Полимер также подчеркивает узор и текстуру дерева, для большей контрастности в полимер можно добавлять различные красители.

Далее выполнено определение фактического модуля упругости модифицированной древесины (термообработанной, стабилизированной полимером, термообработанной и стабилизированной полимером) на основе испытаний на 4-точечный изгиб брусков размерами 30 × 30 × 200 мм в соответствии с ГОСТ 16483.9-73 [1]. Согласно результатам испытаний установлено увеличение деформативности стабилизированного образца на 5–10 %, что говорит о снижении несущей способности. Изменение значения модуля упругости обычной древесины и термообработанной составляет ±5 %.

Проведенные испытания образцов показали значения определяемых характеристик, близкие к значениям, приведенным в СП 64.13330.2017 [2]. На этом основании при моделировании и расчете принимались табличные значения расчетных характеристик древесины сосны второго сорта.

Далее были выполнены испытания образцов, которые производились на гидравлическом прессе П-500 (рис. 3а). Нагружение образцов производилось непрерывно со скоростью 5 кН/мин. Для равномерного распределения нагрузки на торец образца устанавливалась дополнительная оснастка (рис. 3а). Для определения нормальных напряжений сжатия на поверхность образцов наклеены тензорезисторы, подключенные к комплекту для тензометрии (рис. 3а). Испытания проводились до полного разрушения образцов (рис. 3б, в). Методика проведения испытаний аналогична [3].

Графики относительных деформаций сжатия образцов представлены на рис. 4, согласно которому упругая стадия работы термообработанных материалов доходит до 115 кН. Внешний вид графиков говорит о хрупкости полученного материала, что подтверждается характером разрушения образцов (рис. 3в).

Согласно результатам натурных испытаний, образцы были замоделированы в программном комплексе (ПК) ANSYS. Методика моделирования образцов, а также возможность применения ПК ANSYS описаны в [3]. Объемная конечно-элементная модель образца и схема приложения нагрузки показаны на рис. 5.

На основе результатов натурных испытаний и компьютерного моделирования образцов построены графики распределения вертикальных напряжений сжатия σ_y (рис. 7). Как отмечено ранее, специфика оборудования предполагает нагружение образца до величины 5 кН, что отображено на рис. 7.

Согласно рис. 7, установлена сходимость результатов натурных испытаний и компьютерного моделирования для упругой стадии работы материла (до 120 кН), что подтверждает правильность создания объемной конечно-элементной модели образцов.

Заключение

Модифицированная древесина обладает рядом преимуществ по сравнению с обычной: она не подвержена биологическим воздействиям, защищена от насекомых и практически полностью не впитывает воду (стабилизированная древесина). Однако обработка древесины, включающая воздействие высокой температуры и пропитку различными составами, снижает ее деформативность и прочность, делая более хрупкой и колкой (о чем свидетельствует характер разрушения образцов). Кроме того, такая обработка приводит к снижению модуля упругости материала на 5–10 %.

Важно отметить, что степень пропитки образцов полимерным составом составляла около 25–40 %. Соответственно, увеличение степени пропитки приведет к еще большему снижению прочностных и деформативных свойств.

Таким образом, современные методы обработки позволяют значительно улучшить свойства древесины и расширить область ее применения. Именно поэтому прочностные и деформативные свойства древесины, подверженной термообработке и пропитке полимерным составом, становятся предметом все большего внимания исследователей.