Исследование упругих и прочностных свойств ацетилированной древесины при термоуплотнении тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

\

На правах рукописи

ХРАМЦОВ Юрий Дмитриевич

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ АЦЕТИЛИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ТЕРМОУПЛОТНЕНИИ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого

твёрдого тела

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Пермь 1997

Работа выполнена в Институте технической химии УрО РАН

Научные руководители : доктор технических наук, старший

научный сотрудник Ханов А. М. кандидат технических наук, доцент Сиротенко Л. Д.

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

член-корреспондент РАН В. П. Матвеенко;

доктор физико-математических наук А. А. Ташкинов

Ведущее предприятие : НПО им. С.М. Кирова

Защита состоится "_"____1997 г., в_час. на

к

заседании диссертационного совета Д 063.66.01 в Пермском государственном техническом университете (ауд. 423 гл. корпуса). Адрес: 614600, г. Пермь, ГСП-45, Комсомольский пр., 29а. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГТУ. Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, . профессор

Шевелев Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В условиях истощения запасов деловой древесины актуальной задачей является вовлечение в хозяйственный оборот древесины быстрорастущих малоценных пород , что требует разработки экологически безопасных технологий существенного улучшения физико - механических и декоративных свойств древесины .

Перспективным решением этой проблемы является модифицирование древесины комплексной химико - термомеханической обработкой , позволяющей существенно улучшать характеристики древесины на различных структурных уровнях . Однако проблемы получения термомеханически модифицированной древесины не решены полностью , что обусловлено недостаточной изученностью процессов , протекающих в древесине при модифицировании и воздействии этих процессов на изменение физико - механических свойств . Это , в свою очередь , затрудняет как получение материала с заданными характеристиками и прогнозирование поведения изделий в различных условиях эксплуатации , так и оптимизацию самого процесса термомеханического модифицирования .

В связи с вышеизложенным, предпринятая в настоящей работе попытка исследования влияния технологических факторов на структуру и свойства получаемых материалов , моделирования процесса прессования и прогнозирования их поведения представляется актуальной в научном плане и в практическом отношении .

Диссертационная работа выполнена в рамках научно - исследовательской программы " Разработка научных основ формирования композиционных материалов с комплексом заданных характеристик на основе химико - механического модифицирования древесины " (№ ГРО 1960001330) ; по проекту " Разработка технологии производства изделий из модифицированной древесины " (Распоряжение № 2604 от 25.10.1996. г. ГКНТ России).

Цель работы

Исследование процесса деформирования древесины с учётом влияния структурных и технологических факторов процесса термомеханического модифицирования . С этой целью в работе поставлены и решены следующие задачи :

- разработать методику термомеханического модифицирования древесины;

- исследовать процесс деформирования древесины в процессе термомеханического модифицирования;

- прогнозирование механических свойств модифицированной древесины .

Научная новизна

Научная новизна полученных автором результатов определяется тем , что впервые получены и изложены в диссертации следующие результаты :

- проведено систематическое исследование процесса термомеханического модифицирования древесины;

- разработаны экспериментальное оборудование и методики измерения структурных параметров термомеханически модифицированной древесины;

- на основе моделирования древесины как ортотропного композита, состоящего из матрицы и взаимно параллельных трубообраз-ных полостей прямоугольного сечения , разработана методика прогнозирования упругих свойств термомеханически модифицированной древесины;

- на основе модели накопления повреждаемости была исследована долговечность термомеханически модифицированной древесины в условиях износа при нестационарном нагружепии ;

- установлены закономерности изменения технологических факторов процесса термомеханического модифицирования , влияющих на структуру древесины .

Результаты этих исследований выносятся на защиту .

Достоверность результатов

Достоверность : результатов подтверждается сравнением результатов расчётов с экспериментальными исследованиями на натурных образцах , сравнением с аналитическими решениями , а также длительной эксплуатацией конструкций , выполненных с учетом рекомендаций.

Практическая ценность

Результаты работы , полученные методики внедрены на Невья-новском машиностроительном заводе , на опытном производстве Института технической химии УрО РАН и ряде мебельных предприятий .

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы представлены на:

- 2-ом международном симпозиуме " Строение , свойства и качество древесины - 96 ", прошедшем в г. Москве ;

- 2-ой международной Зимней школе по механике сплошных сред, прошедшей в г. Перми в 1997 г.;

- научно - технической конференции " Наука на рубеже 20 века" в г. Березники , прошедшей в 1997 г.

Публикации

Результаты выполненных исследований изложены в восьми публикациях .

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения , пяти глав , выводов , списка литературы , изложена на 129 страницах машинописного текста, включая 10 таблиц , 39 рисунков и библиографии в количестве 103 наименований .

Содержание работы

Введение

Обоснована актуальность выбранной темы , сформулированы цели и задачи работы .

Первая глава

В первой главе приведён обзор влияния структурных и технологических факторов на долговечность и разрушение древесины и конструкций на её основе . Показано , что древесина как неоднородное полимерное тело обладает ползучестью двоякого рода. Деформации упругого последействия древесины связаны с эластической деформацией инкрустов ; эти деформации обратимы и исчезают после снятия нагрузки . Вынужденные эластические деформации древесины , также развивающиеся со временем , связаны с вынужденной эластической деформацией целлюлозы . Они являются термовлагозадержанными остаточными деформациями и могут быть восстановлены лишь путём нагревания и увлажнения древесины . Развитие вынужденной деформации приводит к разрушению древесины . Описание особенностей деформативно-го поведения древесины необходимо для дальнейшего усовершенствования режимов получения химико - механически модифицированной древесины , регулирования свойств получаемого материала , а также для усовершенствования методов контроля и управления технологическими процессами.

Анализ работ по усталостному разрушению , разрушению в условиях износа при отсутствии таковых для произвольного нестационарного нагружения позволяет сделать вывод о неисследо-ванности проблемы теоретического прогнозирования долговечности при произвольных условиях нагружения , так как полученные в небольшом количестве работ эмпирические зависимости по расчёту времени разрушения носят частный характер и характеризуются жёсткими ограничительными требованиями по режиму нагружения и свойствам материала .

Рассмотренные в данной главе закономерности по исследованию влияния структурных и технологических факторов на дли-

тельные прочностные и деформационные свойства легли в основу разработки и оптимизации технологии модифицирования и прогнозирования механических свойств древесины на различных технологических стадиях процесса формирования изделий .

Вторая глава

Во второй главе представлена постановка задачи исследований и рассматриваются методические подходы по исследованию свойств термомеханически модифицированной древесины .

Деформативное поведение древесины исследовали при постоянной скорости нагружения на испытательной машине УМЭ -1ОТМ , при этом фиксировали зависимость усилия деформации от скорости деформирования и температуры плит пресса . Ползучесть древесины и процессы деформирования при фиксированном усилии исследовали на специально созданной установке как показано на рис. 1 .

Рис. 1. Установка для исследования ползучести . 1 - индикатор дилатометра , 2 - хомут нагружающего устройства, 3 - нагреватель , 4 - тяга , 5 - стол , 6 - трос , 7 - опоры рычага, 8 -рычаг , 9 - груз , 10 - стальные обоймы , 11 - теплоизолирующие прокладки , 12 - термопары , 13 - кварцевый дилатометр, 14 - образец . РТ - регулятор температуры .

Изменение микроструктуры деформированных образцов древесины исследовали на микроскопе " Неофот " при увеличениях х50 - 350 , изменение пористости - на ртутном поромере Роге Ыгег 9305 .

Исследование нрочностных и упругих характеристик древесины проводились на испытательной машине Р-5 и акустическим методом на частотомере 43-24 .

Третья глава

В третьей главе исследуются закономерности деформирования древесины в процессе химико - механического модифицирования.

В конструктивном отношении древесина может быть представлена как композиционный материал с квазирегулярной макро- и микроструктурой . На рис. 2 представлены фотографии микроструктуры древесины хвойных и лиственных пород в исходном состоянии.

Рис. 2. Микроструктура натуральной древесины ( х250) а) сосна б) берёза.

Представленные результаты позволяют структурно моделировать древесный материал как конструкцию трубчатого или слои-

сто-трубчатого строения , если принимать во внимание различие ранней и поздней части древесины в годовых кольцах .

Исследование механизма влияния химической обработки древесины на её пластические свойства базировалось на анализе изменения физико - химического состояния клеточного вещества древесины , образующего макроструктурный каркас древесного - материала , в процессе модифицирования . Сравнивая динамические упругие константы ацетилированной и натуральной берёзы, следует отметить прирост модуля упругости в радиальном ( Ег) и тангенциальном ( Е,§ ) направлениях , при отсутствии такового в осевом направлении (Еа) (табл. 1).

Таблица 1. Изменения модуля упругости по различным направлениям анизотропии древесины берёзы в результате ацетилирова-ния.

Древесина о Плотность,г/см Е*,МПа Еа, МПа

Натуральная 0,625 1045 1750 15860

А цетилиро ванная 0,607 1118 1942 16020

Изменение -2% +1% +11% +1%

Это обстоятельство позволяет предположить , что структурные изменения при ацетилировании происходят главным образом в материалах клеточных стенок древесины . По-видимому , более крупные ацетильные группы , замещающие гидроксильные группы ОН , обеспечивают жёсткость клеточных стенок , затрудняя взаимное скольжение мицеллярных образований при поперечном уплотнении и вызывая таким образом структурно - механические изменения вещества клеточных стенок.

Анализ диаграмм деформирования древесины при постоянной скорости нагружения с одновременным ацетилированием (рис.3) показал , что процесс деформирования в этом случае имеет обычный для древесины трёхстадийный характер , но протекает при более низких уровнях напряжений , чем для натуральной древе-

сины , за счёт пластификации древесины ацетилирующим раствором .

Стадия 1-е деформацией до 4 - 6 % , характеризуется преимущественно упругими деформациями без существенного изменения макроструктуры . Стадия 2 , на которой деформация слабо зависит от напряжения , характеризуется потерей устойчивости наиболее слабых элементов макроструктуры ( клеток ранней древесины для хвойных пород и сосудов для лиственных пород ) и протекает за счёт их смятия . На стадии 3 в процесс деформирования активно вовлекаются всё более прочные элементы макроструктуры ( клетки поздней древесины у хвойных пород и клетки либриформа и трахеид у лиственных пород ) , как показано на рис. 4 . Это обуславливает резкий рост напряжений с ростом деформации .

-I

Рис. 3 . Диаграммы сжатия древесины берёзы : 1 - сухой натуральной , 2 - сухой ацетшшрованной , 3-5 - насыщенной ацетилирующим раствором . Скорость сжатия образца №5 - 0,5 мм/мин, остальных 1 мм/мин. Направление сжатия образца № 3 - тангенциальное, остальных - радиальное.

Рис. 4. Микроструктура модифицированной древесины после прессования ( начало третьей стадии ) . а - берёза б - сосна .

Микроструктурные и порометрические исследования показали, что в конце второй и начале третьей стадии имеет место частичное разрушение наиболее слабых элементов микроструктуры и расслоение клеточных оболочек на наиболее деформированных участках.

Рис. 5. Характерные кривые ползучести и восстановления , использованные для определения упругой ( еу ) , упруго-запаздывающей ( 8уз) и остаточной ( £ост ) деформаций в зависимости от продолжительности действия постоянной нагрузки .

. .J__

-----

-—

1 в

J

¿S "35

JO £./■«/</

РИС. 6. Влияние продолжительности действия сжимающей нагрузки на величину упругой ( а ), упруго-залаздывающей б и остаточной ( в ) деформации , при нагрузках, соответствующих

первой ( ! )f второй ( п } и третьей ш прессовУ^1Х

Сжатие древесины сосны происходило в радиальном напр Je-'

НИИ .

Исследования процесса деформирования древесины при статическом нагружении , соответствующем разным стадиям деформирования , с использованием метода разделения деформаций (рис. 5) показали , что на первой стадии упругие деформации практически постоянны , а упруго-запаздывающие и остаточные меняются незначительно и соизмеримы с упругими ( рис.6 ) . На второй стадии упругие деформации убывают со временем , при этом наблюдается рост £уз и 80ст . На третьей стадии 80СТ возрастают с течением времени и являются преобладающими, а еуз хотя и слабо возрастают , но по абсолютной величине значительно меньше , чем на второй стадии .

Таким образом, исследования при различной степени деформирования в процессе сжатия показали , что физическая природа напряжений и деформаций в основном обусловлена изменением природной микро- и макроструктуры в процессе деформирования, что отражается на всех видах деформаций : упругой , упруго-запаздывающей и остаточной . Следствием изменения микроструктуры является превращение с течением времени упругих и упруго-запаздывающих деформаций в остаточные . Ацетилиро-ванная древесина при сжатии поперёк волокон представляет собой структурно - нестабильное тело , изменение свойств которого определяется напряжением и продолжительностью его действия . При этом все три составляющие общей деформации имеют свою функцию нелинейности.

Анализ реологического поведения ацетилпрованной древесины при различных уровнях нагрузки и температурно - влажностных условиях позволил выявить совокупность оптимальных технологических параметров химико - механического модифицирования .

Рассмотренные в данной главе закономерности структурных и технологических факторов термомеханического модифицирования древесины легли в основу моделирования изменения структуры , используемой для прогнозирования свойств .

Четвёртая гляча

В четвёртой главе рассмотрены вопросы прогнозирования упругих свойств и износа модифицированной древесины

Экспериментальные исследования кривых прессования по ристости , упругих характеристик и микрофотографичёские сьемки послужили основой для выбора мaтeL™Чcc^f oД™ уплотнения древесины . Древесина моделируется как ортотроп ньш композит , состоящий из матрицы и взаимно параллелГьгх трубообразных полостей прямоугольного сечения (рис 7 )

Рис. 7. Структурная модель древесного материала ного композита.

как ортотроп-

Ось X, перпендикулярна к плоскости изотропии трансверсально -шовного материала матрицы . В процессе деформ^Гия под действием поперечной нагрузки происходит пЦес^сжаГ и частичного заполнения полостей материалом малицы П^ этом постановка задачи предполагала следующее содержание

—м уГпГИ6 — —ного композита по известным упругим характеристикам трансверсально - изотооп

ного материала матрицы . Переменными являются пористос^Ш

материала и форма полостей в процессе деформирования ™

об?Г/ПР°ЩеНИЯ ДЭЛЬНейШЙХ выклЗДок элемент композита преобразуется в единичный кубик (рис.8).

л

и

\[зГо

±__

Хг

А/г

Рис. 8. Преобразованный структурный элемент композиционного древесного материала в недеформированном состоянии .

Толщина стенок (3/2 определяется через начальную пористость :

!->/* (1)

Форма единичного кубика после смятия полостей схематично показана на рис. 9.

Хэ {аъ

Т СХ. О

I >

<3 J-

«О? и I -I— 3 -н Рок

Х1

8

Рис. 9. Преобразованный структурный элемент композиционного материала после смятия .

Геометрические размеры смятого элемента определяются равенством :

АВ - аЬ = 1 - , (2)

где А = а + р0 ; В = Ь + р0 ; аЬ = 32 . Податливости композита 822 и 833 выражаются уравнениями :

822 - (А/р0В)[р08ш22 + (в - ро - + ( 3 )

833 = (В/р0А)[а8п 122 + Ро^ШЗэ) . ( 4 )

где индексы " 22 " и " 33 " означают направления в композите , а индексы II и III указывают на принадлежность к материалу клеточной стенки , первоначально ориентированной в направлении Х2 и Х3. ^ Преобразованные податливости 8Ш22 и 8ШЗЗ имеют вид :

8ш22 = Ро8шзз/(Ро+ аф(ае»

^шзз Ро + Л^8шзз/ 8Пзз)] ( 6 )

Эти преобразованные податливости учитывают , что в восприятии напряжений частично участвуют и стенки , ориентированные перпендикулярно действию силы . Функция ф апроксимиро-валась выражением :

фШ-8т[(тг/2){1-Эе/9^}2] (7)

Полученные выражения для податливости 822 , 833 дают удовлетворительное совпадение с экспериментом в интервале изменения пористости от до пористости , соответствующей полному сплющиванию сосудов в случае рассеянно - сосудистых пород , и наиболее крупных клеток трахеид в случае хвойных пород , то

(5)

/

есть до Ж = Э20-Э£ , где 96. - относительное объёмное содержание полостей сосудов или наиболее крупных клеток трахеид .

Результаты теоретических расчётов и экспериментальных измерений модулей упругости ацетилированной древесины берёзы и сосны (рис.10) показали возможность использования модели для прогнозирования упругих свойств модифицированной древесины . Исходными данными для расчёта являлись следующие :

1) для ацетилированной древесины^берёзы : Е0зз = Ег = 1,045ГПа, Е022 = Е, = 0,683 ГПа, Эч> = 0,564,^ = 0,180,36' = 0,384;

2) для ацетилированной древесины сосны : Е033 = Ег = 0,850 ГПа, Е022 = Е, = 0,642 ГПа, = 0,775, X = 0,441, 96' = 0,334;

Е/Па Е, ГПа

Рис. 10. Изменение модулей упругости ацетилированной древесины в зависимости от относительного содержания материала матрицы : а - берёза , б - сосна .

Для прогнозирования долговечности модифицированной древесины в условиях износа при произвольном законе изменения нагрузки во времени оказалось возможным использовать модель накопления повреждений в форме линейного закона Бейли .

Долговечность Ь согласно этому закону при произвольном изменении напряжений во времени будет определяться из выражения :

г*

со = |с!т/Цс(т)] - 1, 0

где 1:0 - время до разрушения при постоянном напряжении, равном мгновенному значению о ( т ). Как показали исследования , для ацетилированной древесины она имеет вид :

1-о = А ( о0 )"а , (9)

где А , а - постоянные , определяемые на основе аппроксимации зависимости I от о в логарифмических координатах .

На рис.11 представлена кривая долговечности модифицированной древесины берёзы в условиях износа , значению со = 1 соответствует износ 0,6 мм.

Рис. 11. Кривая долговечности модифицированной древесины берёзы в условиях износа.

Расчёт долговечности втулок подшипников из модифицированной древесины при действии переменного нагружения проводился для режима действующей нагрузки " пуск - останов " . В этом случае время достижения предельного износа определится на основе ( 8,9 ) из выражения : N

1 = (1/А)[Ха-а(т;-ти)],тк = Ь (10)

¡=1

Пример экспериментальной схемы действующей нагрузки в зоне контакта и соответствующей кривой износа представлен на рис. 12 , в соответствии с которым долговечность составила 90 час. Расчётное время в соответствии с (10) составило 92,1 час.

ю 20 20 *0 я ¡>0 70 № зч ^ ^

Рис. 12. Схема переменного нагружения и кривая износа втулки подшипника из модифицированной древесины берёзы .

Таким образом , долговечность деталей узлов трения из модифицированной древесины в условиях износа оказалось возможным прогнозировать с достаточной для практики степенью точностью на основе принципа линейного суммирования повреждаемостей Бейли.

Пятая глава

В пятой главе приведены результаты практического применения термомодифицированной древесины (ТММД).-

В настоящее время основными областями использования ТММД являются :

- узлы трения , в условиях стабильной влажности или в средах , не вызывающих набухания . В частности , это могут быть изделия, постоянно находящиеся в водной среде , в том числе и такой высоко агрессивной , как морская , если конструкция пары трения препятствует распрессовке ТММД . Во - вторых , это пары трения, находящиеся в неполярных жидкостях или защищенные от воздействия воды смазкой и , наконец , это пары трения в условиях высокой запыленности , например , в промышленности мине-

ральных удобрений или цементной . При оптимальном подборе нагружения и скоростного режима такие пары значительно долговечнее металлических и дешевле пластмассовых изделий ;

- электротехнические изделия , защищенные от действия влаги . По прочностным и электроизоляционным характеристикам ТММД в этих условиях не уступает текстолиту , но значительно дешевле его;

- мебельная промышленность . Высокие твердость и прочность ТММД , при полном сохранении эстетических показателей древесины позволяют изготовлять мебель , не уступающую но качеству мебели из ценных пород древесины , а возможность в процессе изготовления ТММД формировать художественный рельеф позволяет серийно выпускать мебель , не отличающуюся по уровню художественной отделки от штучных резных изделий ручного изготовления;

- производство художественных изделий и сувениров сложных объемных форм с рельефными художественными рисунками .

Общие выводы

1. Разработаны методика термомеханического модифицирования древесины ; установка для исследования ползучести.

2. Установлены закономерности структурных технологических факторов процесса термомеханического модифицирования , влияющих на изменение структуры древесины .

3. На основе моделирования древесины , как ортотропного композита , состоящего из матрицы и взаимно параллельных тру-бообразных полостей прямоугольного сечения , разработана методика прогнозирования упругих свойств термомеханически модифицированной древесины (ТММД).

4. На основе модели накопления повреждаемости Бейли исследована долговечность термомеханически модифицированной древесины в условиях износа при нестационарном нагружении.

5. На основе полученных рекомендаций разработана технология получения изделий методом термомеханического модифицирования древесины.

6. Разработаны рекомендации по применению ТММД в промышленности и изготовлены опытные партии изделий из ТММД.

Основные результаты диссертации опубликованы

в работах:

1. Ю. Д. Храмцов , А. М. Ханов , П. Е. Андреев . Патент IIV 032629 от 10.11.95. МПК 6 В 27К 5/06.

2. Л. Д. Сиротенко , А. М. Ханов , Ю. Д. Храмцов . Прогнозирование и химико-технологическое обеспечение свойств модифицированной древесины . Деревообрабатывающая промышленность № 2 1996 гс.5-9

3. Л. Д. Сиротенко , Ю. Д. Храмцов , А. М. Ханов. Долговечность изделий из модифицированной древесины при различных условиях нагружения и эксплуатации. Второй международный симпозиум "Строения , свойства и качество древесины - 96 " тезисы докладов М. 1996 г. С.77

4.10. Д. Храмцов , Л. Д. Сиротенко , А. М. Ханов . Научные основы формирования упругих и прочностных свойств модифицированной древесины . Там же , с.80.

5. Дегтярев А. И., Москалев В. А., Сиротенко Л. Д., Храмцов Ю. Д. Исследование износа модифицированных древесных пород . Тез. док. Всероссийской НТК "Вопросы НТ развития : исследования и практика г. Березники , 1995. С. 35.

6. Дегтярев А. И., Москалев В. А., Сиротенко Л. Д., Храмцов Ю. Д. , О накоплении повреждаемости химически модифицированной древесины в парах трения . Тез. Док. Всероссийской НТК "Проблемы образования , научно-технического развития и экономики Уральского региона г. Березники , 1996 г с. 171.

7. А. М. Ханов , Л. Д. Сиротенко , 10. Д. Храмцов , А. И. Дегтярев, В. А. Москалев . Технологическое обеспечение повышения механических свойств древесины . Сборник научных трудов "Динамика и прочность механических систем ", г. Пермь , ПГТУ, 1996 с. 129-133

8. А. И. Дегтярев , В. А. Москалев , Л. Д. Сиротенко , Ю. Д. Храмцов . Особенности изнашивания термомодифицированной древесины в парах трения " . Сборник научных трудов " Динамика и прочность механических систем ". г. Пермь , ПГТУ , 1996 - с.134 - 136 .