Тамбовская область, Россия
Россия
Тамбов, Тамбовская область, Россия
Россия
УДК 691.11 Лесоматериалы. Древесина и изделия из нее
В качестве объекта исследования в работе были выбраны: древесина, ламинат, ДСП и ДВП, так как они получили широкое применение в строительстве. Древесные материалы отличаются ценным сочетанием таких свойств, как высокая прочность и низкая теплопроводность, обладая при этом низкой водостойкостью и биостойкостью. В данной статье рассматривается один из способов решения данной проблемы – модификация древесных материалов жидкими мономерами: эмукрилами С и М, эмульсией 252, акратамом AS02. Было выявлено влияние модификаторов на такие свойства, как прочность, водопоглощение, набухание, водостойкость, огнестойкость и биостойкость материалов. Однако в процессе эксплуатации любое изделие и конструкция находится под длительным воздействием одновременно нескольких факторов: температуры, нагрузки, влажности, старения и т.д. Поэтому при проведении исследований особое внимание было уделено изучению именно долговечности модифицированных древесных материалов различной структуры. Для выявления закономерностей длительной работы материалов были проведены комплексные испытания, учитывающие одновременное действие нагрузки, времени и температуры эксплуатации. Также затронут вопрос изменения структуры древесных пластиков при их модификации. Представленные результаты позволят прогнозировать работоспособность модифицированных древесных материалов в режиме длительного воздействия эксплуатационных факторов, т.е. температуры и нагрузки. На базе полученных результатов установлен оптимальный режим модификации (пропитка мономерами в течение 3 суток и термообработка при 80 °С для древесины и ДСП в течение 8‒10 ч, для ламината – 6 ч). Для повышения гидрофизических свойств древесных материалов хорошо зарекомендовали себя акратам и эмукрил М. Модификация позволяет отсрочить появления нежелательных процессов в виде образования налета и гнили в два-три раза.
древесина, древесные пластики, модификация, термообработка, долговечность, прочность, гидрофизические свойства
1. Введение. В настоящее время в России и по всему миру наблюдается тенденция по увеличению количества домов с несущими и ограждающими конструкциями из древесины. Появляются и многоэтажные здания: в России это 4 этажа, в Канаде есть здание этажностью в 14 этажей. Такой интерес к древесине вызван комплексом ценных свойств, присущих только ей. Так она обладает одновременно хорошими теплофизическими свойствами и высокой прочностью. Кроме того, дерево – это экологичный материал. Невозможно все здание построить только из чистого дерева, поэтому на ряду с ним широкое применение получили и древесные композиты: фанера, ламинат, LVL-брус, ДВП, ОСП и другие. Ламинат и фанера нашли также применение не только в деревянных зданиях, но и, например, выполненных из кирпича.
Как и любой другой материал древесина и древесные пластики имеют свои недостатки. К ним относятся горючесть, низкая биостойкость, низкие гидрофизические свойства [1]. Справиться с двумя последними можно путем модификации древесных материалов. Модификацией древесины и древесных плит занимались такие ученые как Хрулев В.А., Машкин Н.А., Винник Н.И., Хухрянский П.Н., Мовнин М.С., Золднерс Ю.А., Роценс К.А., Шутов Г.М., Фрейдин А.С и др. [2‒6].
Еще одним преимуществом древесины как раз и является наличие у нее предела длительного сопротивления, т.е. напряжения ниже которого материал не разрушится [1]. Ряду древесных композитов также свойственно наличие данного показателя, но при этом все они чувствительны к условиям среды: температуре, влажности. При модификации материала происходит изменение структуры материала и как следствие будет изменяться механизм его разрушения.
Существует множество работ, посвященных исследованиям влияния модификаторов на такие параметры древесины, как прочность, водостойкость, биостойкость и т.п. [6‒8]. В реальности же в процессе эксплуатации материал находиться под действием длительных нагрузок и температуры [9, 10]. Кроме того, работа материала осложняется комплексом внешних факторов (старения, жидкой агрессивной среды, в том числе воды), влияние которых также происходит длительно, а не одномоментно [11].
Поэтому очень важно рассмотреть работу модифицированных древесных композитов с позиции не только базовых свойств, но и долговечности [12]. Чему как раз и посвящена основная часть представленных исследований.
Таким образом, целью данной работы является подбор модификаторов, позволяющих повысить гидрофизические свойства материала и их биостойкость, а также изучить их работу во времени в условиях эксплуатации.
2. Материалы и методы исследований. В качестве исследуемых материалов применялись: древесина (сосна 2 сорта), ламинат, ДСП и ДВП, а в качестве их модификаторов керосин и жидкие мономеры – эмукрил С и М, эмульсия 252, акратам AS02. Изначально был подобран оптимальный режим модификации, выбор которого осуществлялся по следующим параметрам: прирост массы, изменение прочности после пропитки. Для ряда серий образцов также определялись их твердость и водостойкость.
Для чистоты эксперимента и сходимости результатов, полученных при кратковременных и длительных испытаниях прочность и твердость древесных пластиков, определялись на специализированных установках, предназначенных для длительных испытаний. Испытания проводились путем фиксирования при поперечном изгибе максимальной разрушающей нагрузки ‒ в первом случае или глубины погружения индентора при фиксированной нагрузке ‒ во втором случае. Установки содержат тепловые электронагревательные элементы (ТЭНы) воздушного типа, а также позволяют фиксировать время до разрушения с помощью секундомера и электронного разрывателя.
Испытания на водопоглощение проводились по стандартной методике с использованием технических весов ВЛКТ-500-М с точностью до 0,01 г. Предварительно взвешенные образцы помещали в емкость с водой при температуре
20+2 °С и через заданный интервал времени фиксировали их массу. Водостойкость образцов определялась по стандартной методике после их взаимодействия с водой через заданный интервал времени.
Для получения микрофотографий структуры образцов использовался цифровой микроскоп Levenhuk D50L NG с максимальным увеличением – 1280 крат.
Для выявления закономерностей длительной работы древесных пластиков и древесины были проведены комплексные испытания, учитывающие одновременное действие нагрузки, времени и температуры эксплуатации. В ходе испытаний два фактора (нагрузка и температура) задавались, а третий, время до разрушения образцов, фиксировался. По полученным данным были построены зависимости изменения долговечности от прочности, которые описываются представленными ниже уравнениями [10, 11].
, (1)
где tm, U0, g и Tm – физические константы материала: tm – минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц – атомов, групп атомов, сегментов), [с]; U0 – максимальная энергия активации разрушения, [кДж/моль]; g – структурно-механическая константа, [кДж/(моль´МПа)]; Tm – предельная температура существования твёрдого тела (температура разложения), [К]; R – универсальная газовая постоянная, [кДж/(моль´К)]; t – время до разрушения (долговечность), [с]; s – напряжение, [Мпа]; T – температура, [К].
Частные случаи уравнения 1:
– для параллельных прямых
, (2)
– для обратного пучка
, (3)
где t*, U, tm*, U0*, g *, Tm* –эмпирические константы; b – структурно-механический коэффициент, [1/МПа].
Расчет констант, входящих в уравнения (1–3), осуществляется по методике, описанной в работах [9–11]. Дополнительно были проведены испытания по изучению влияния модификации на биостойкость и огнестойкость древесных материалов. Для изучения огнестойкости образцы подвергали воздействию открытого пламени в течение 60 с, после чего фиксировалось изменение массы образцов и их размеров. При изучении биостойкости образцы погружали в воду и фиксировали изменения внешнего вида образцов, образование гнили, а также изменения, происходящие в воде.
3. Результаты и обсуждения. Ранее в работе [13] уже было представлено влияние вида модификатора на ряд свойств древесины, которые представлены в табл. 1.
Из представленных данных видно, что наилучшими механическими показателями обладает древесина, для модификации которой использовался керосин (при разрушении поперечным изгибом), акратам AS 01 (при разрушении сжатием). С позиции повышения гидрофизических свойств композита лучше всего проявляет себя эмукрил М. Также необходимо отметить, что при использовании в качестве модификатора эмульсии 252 древесина ведет себя неоднозначно – она хорошо поглощает воду, как и натуральная древесина, но при этом ее водостойкость самая высокая (на 30 % выше по сравнению с исходным материалом). Следовательно, данные виды модификатора защищают стенки клеток древесины от проникновения воды.
Таблица 1
Влияние модификации древесины на ее свойства [13]
|
Модификатор |
Предел прочности, МПа, при |
Твердость, МПа |
Модуль деформации при сжатии, МПа |
Водопоглощение, % |
Набухание, % |
Водостойкость, МПа |
||||||
|
изгибе |
скалывании |
сжатии |
вдоль волокон |
поперек волокон |
2 ч |
1 месяц |
2 ч |
1 месяц |
2 ч |
1 месяц |
||
|
Натуральная древесина |
82,97 |
5,42 |
56,6 |
20 |
10000 |
– |
35 |
112,0 |
4,2 |
4,8 |
20,1 |
19,9 |
|
Эмульсия 252 |
104,8 |
2,84 |
26,61 |
– |
15154 |
5491 |
31,4 |
124,1 |
4,3 |
6,0 |
26,0 |
21,9 |
|
Эмукрил М |
101,1 |
2,65 |
50,53 |
– |
13065 |
5305 |
7,8 |
81,0 |
2,1 |
4,5 |
25,4 |
22,2 |
|
Эмукрил С |
110 |
– |
55,60 |
– |
– |
– |
14,0 |
- |
– |
– |
– |
– |
|
Акратам AS 01 |
– |
– |
65,57 |
– |
– |
– |
29,8 |
118,0 |
3,2 |
4,7 |
– |
– |
|
Керосин |
116 |
– |
63 |
31 |
– |
– |
15 |
- |
4,0 |
3,8 |
22,2 |
22,0 |
3.1. Выбор режима модификации. По данным, представленным в работе [13], был выбран оптимальный режим модификации древесины и древесных пластиков. Наивысшей прочности 115 МПа (что превышает прочность самой древесины на 23 %) модифицированная древесина достигает при термообработке в 60°С в течении 12 ч. Увеличение температуры до 80°С приводит к ускорению процесса до 8‒10 ч, но при этом упрочнение составит только 20 %. Дальнейшее повышение температуры приводит к деструкции модификатора, имеющего полимерную основу, и как следствие к снижению прочности на 10 % относительно прочности натуральной древесины (при 120 °С) (рис. 1‒2). Таким образом, оптимальный режим модификации мономерами был принят следующим: пропитка в течение 3 суток с последующей термообработкой в течении 8‒10 ч при 80 °С. При использовании в качестве модификатора керосина продолжительность пропитки увеличивалась до 7 суток, и термообработка не проводилась.
Рис. 1. Влияние длительности термообработки (80 °С) на прочность при изгибе древесины, пропитанной эмукрилом М
Рис. 2. Влияние длительности и температуры термообработки на прочность
(при изгибе (1, 2, 3), при сжатии (5, 6, 7)) древесины, пропитанной Эмульсией 252
Так как при модификации ДВП и ДСП мономерами были получены аналогичные закономерности (рис. 3), что и для древесины, следовательно, режим их модификации был аналогичен режиму для модификации древесины.
|
а) |
|
б) |
Рис. 3. Влияние длительности термообработки при 80 °С на прочность модифицированного
Акратам AS04 композита: а) –ДВП, б) – ДСП
На основе результатов, полученных ранее для древесины, в качестве модификаторов для ламината были выбраны следующие жидкие мономеры: эмукрил М, акратам АS01 и АS02 и морозостойкий акратам АS01М.
В табл. 2, на примере эмукрила, представлены данные по взаимосвязи длительности пропитки мономерами и свойств материала. Наиболее существенный прирост массы ламината наблюдается в первые 7 дней пропитки, далее процесс замедлялся, но полностью не прекращался. При этом уже на 3 день замачивания в мономере было отмечено существенное снижение прочности материала и рост деформации, предшествующей его разрушению (табл. 2). Такое поведение материала было вызвано пластифицирующим действием самого модификатора в жидком состоянии.
Таблица 2
Влияние эмукрила М на пророст массы и прочность ламината
|
Время выдержки |
Относительное |
Набухание |
Прочность при поперечном |
|
0 ч |
– |
– |
36,00 |
|
1 ч |
3,19 |
0,005 |
37,48 |
|
72 ч (3 дня) |
31,50 |
– |
13,59 |
|
168 ч (1 неделя) |
51,68 |
33,620 |
10,65 |
Для перехода модификатора в твердое состояние и образования жесткого каркаса внутри материала была проведена термообработка при температуре 80 °С. Температура прогрева была выбрана исходя из ранее полученных результатов при исследовании древесины [13].
Таблица 3
Влияние продолжительности термообработки при +80 ºС модифицированного ламината
Kronospan 31’ на его прочность [14]
|
Модификатор |
Прочность при поперечном изгибе, МПа, при продолжительности термообработки |
|||||
|
2 ч |
4 ч |
6 ч |
8 ч |
10 ч |
17,5 ч |
|
|
Эмукрил М |
24,24 |
25,37 |
26,19 |
– |
24,51 |
24,20 |
|
Акратам АS01М |
– |
28,64 |
29,94 |
32,54 |
32,23 |
– |
При термообработке происходит сшивка модификатора с исходным материалом. Уже через 2 ч прочность ламината, пропитанного мономером, увеличивается в 2 раза. При этом наилучшие результаты были достигнуты при его термообработке в течение 6‒8 ч. Однако в отличие от древесины модифицированный ламинат имел более низкую прочность по сравнению с исходным. Так прочность ламината, модифицированного эмукрилом М составила – 73 % от первоначальной, а акратамом АS01М – 91 % (табл. 3). Такая потеря прочности для материала не существенна, т.к. в процессе эксплуатации его ресурс полностью не вырабатывается. Выход из строя ламината часто происходит от действия воды, поэтому на дальнейшем этапе исследований было рассмотрено влияние модификации на изменение гидрофизических свойств (рис. 4).
Анализ полученных результатов показал, что при длительном воздействии воды снижение величины водопоглощения и набухания ламината проявлялось уже на этапе обработки образцов жидким мономером. При этом наилучшие результаты получены при использовании различных видов акратама (рис. 4). Ламинат, пропитанный ими, на 12 % меньше набухал по сравнению с водостойким ламинатом Tarkett 32’. Дополнительная термообработка пропитанных мономером образцов в течение 4–10 ч, способствовала еще большему снижению показателей водопоглощения и набухания. Однако, при термообработке свыше 10 ч наблюдалось нарушение структуры полимера, что приводило к росту водопоглощения модифицированного ламината.
|
а) |
|
б) |
Рис. 4. Влияние модификации ламината Kronostar
а) – набухание, б) – водопоглощение:
1 – не модифицированный ламинат; 2 – водостойкий ламинат Tarkett 32’;
3 – модифицированный Эмукрилом М; 4 – Акратамом АS01М; 5 – Акратамом АS01; 6 – Акратамом АS02
Помимо набухания немаловажным является сохранение материалом своих механических свойств после воздействия влаги или воды, т.е. водостойкость. Поэтому в работе на примере ламината, модифицированного акратамом АS01М, который показал наилучшие результаты по стойкости к процессам водопоглощения и набухания, был определен коэффициент водостойкости (табл. 4).
Таблица 4
Коэффициент водостойкости ламината после его модифицикации акратамом АS01М
|
Режим модификации: пропитка, ч/термообработка, ч |
Коэффициент водостойкости при продолжительности замачивания в воде |
|
|
1 ч |
18 ч |
|
|
72/6 |
1 |
0,92 |
|
72/8 |
1 |
0,84 |
Из полученных данных (табл. 4) видно, что использование модификаторов может обеспечить повышения коэффициента водостойкости до уровня 0,92, что соответствует категории водостойких материалов. При этом режим более длительной термообработки – 8 ч уступает по данному показателю 6 ч термообработке.
Так как в процессе эксплуатации выход из строя материала происходит именно под действием воды, то и оптимальный режим модификации ламината был выбран исходя из максимального повышения его гидрофизических свойств. В зависимости от вида модификатора он имеет следующие параметры:
– пропитка в течении 3 дней для эмукрила М, акратама АS01 М (при использовании акратамов АS01, АS02 продолжительность пропитки стоит увеличить до 14 дней);
– термообработка при 80°С в течение 6 ч.
3.2. Влияние модификации на долговечность древесных пластиков. Наибольший интерес представляет влияние модификации на долговечность древесных материалов, т.е. продолжительность их работы в условиях длительного воздействия температуры и нагрузки. Далее этот вопрос был рассмотрен более подробно.
На рис. 5 и табл. 5 представлены данные по долговечности модифицированных древесных материалов.
Из табл. 5 видно, что при использовании эмукрила С с последующей его термообработкой в течении 6 ч происходит снижение долговечности материала. Это связано с тем, что полной полимеризации модификатора еще не произошло и модификатор оказывает пластифицирующее действие внутри материала. При тех же параметрах эмукрил М показывает более лучшие результаты по прочности и долговечности. При увеличении продолжительности термообработки до 10 ч процесс полимеризации завершается, и мы видим увеличение долговечности древесины, но при этом материал станет и более чувствительным к повышенным температурам, что связано с низкой теплостойкостью и термопластичностью полимеров. Для древесины, модифицированной керосином, характерно кратковременное повышение долговечности, однако, со временем керосин испаряется и древесина постепенно в течении 0,5-1 месяца приобретает первоначальные прочностные свойства.
Таблица 5
Влияние модификации на долговечность и предельную прочность
при разрушении поперечным изгибом
|
Вид модификатора |
Продолжительностьтермообработки, ч |
Предельная прочность, МПа |
Долговечность при напряжении, с |
|||
|
60 МПа |
70 МПа |
80 МПа |
100 МПа |
|||
|
Натуральная |
– |
108 |
1010/>100 лет |
108/3 года |
106/0,5 мес |
102/- |
|
Эмукрил С |
6 |
93 |
103,2/- |
102/- |
101,1/- |
- |
|
Эмукрил С |
10 |
108 |
>100 лет |
>100 лет |
1010,5/>100 лет |
103,5/- |
|
Эмукрил М |
6 |
96,5 |
105,9/1 день |
104/- |
102,8/- |
- |
|
Керосин |
– |
115 |
1010/>100 лет |
108/3 года |
106/0,5 мес |
102,5/- |
При комплексном учете 3 факторов (времени, температуры и нагрузки) были получены зависимости lgt-s (рис. 5), которые изменяются в зависимости от структуры материала. Для натуральной древесины зависимость имеет вид обратного пучка [13], что связано с ее ориентацией за счет волокнистого строения. При ее модификации полимерами происходит изменение структуры, т.к. внутри материала образуется дополнительный прочный каркас. В результате анизотропность структуры снижается, и происходит изменение вида зависимости, которая принимает вид прямого пучка. Такая же картина наблюдается и при использовании эмукрила М. При использовании более слабых мономеров, таких как эмульсия 252, дополнительные связи, образующиеся внутри материала, будут слабыми. Такие связи не включаются в работу модифицированной древесины и зависимость lgt-s будет иметь вид параллельных прямых (рис. 5, г).
Рис. 5. Зависимости долговечности от прочности и температуры с микрофотографиями структур
для: а) чистой древесины, б) древесины, пропитанной керосином,
в) древесины, модифицированной Эмульсией 252, г) древесины, модифицированной эмукрилом М
При пропитке древесины керосином структура становиться более однородной за счет исключения воздуха, в результате чего зависимость принимает вид прямого пучка. Структурные изменения можно увидеть на фотографиях, сделанных с помощью микроскопа.
Как уже говорилось выше, модификация древесины приводит к изменению ее структуры и, как следствие, меняются величины большинства констант (табл. 6) [14]. Самая маленькая величина энергии активации характерна для древесины, модифицированной эмульсией 252 или эмукрилом М. Такой уровень константы не характерен ни для разрушения целлюлозных волокон, ни для древесных пластиков. Следовательно, в данных случаях процесс разрушения будет возникать в каркасе, образованном модификатором, а не в древесных волокнах. Вид полимера также будет влиять на величины констант, отвечающих за разрушение: энергию активации и предъэкспоненту. Изменение величины 2-ой константы связано с тем, что при модификации разными полимерами в древесине образуются разные по величине кинетические единицы. Наиболее крупные сегменты возникают при использовании в качестве модификатора эмульсией 252, а самые маленькие –керосина. Каждое вещество имеет свою температуру разложения, что отражается в изменении константы Тm. То, что величина данной константы близка именно температуре разложения полимеров, подтверждает факт зарождения процессов разрушения именно в модификаторе, а не древесине.
Таблица 6
Влияние модификации на величины констант, полученных
при разрушении поперечным изгибом [14]
|
Вид модификатора |
Uo (U, Uo*), кДж/моль |
Tm (Tm*), К |
tm (t*, tm*), с |
g (g*), кДж/ (моль´МПа) |
b, 1/МПа |
|
Натуральная древесина |
-131 |
160 |
107 |
-1,7 |
|
|
Эмукрил М |
87,5 |
556 |
101,4 |
0,94 |
- |
|
Эмульсия 252 |
39,66 |
- |
1012,5 |
- |
0,14 |
|
Керосин |
448 |
408 |
10-4 |
3,05 |
- |
Пример зависимостей долговечности от прочности для древесных пластиков различной структуры представлен на рис. 6‒7. Следует отметить, что для исходных (без модификации) ламината и ДСП она имела вид прямого пучка [10].
|
а) |
|
б) |
Рис. 6. Зависимость долговечности от прочности и температуры с макро- и микрофотографиями структурламината а) – до его модификации, б) – после его модификации акратамом AS01M
При модификации ламината акратамом АS01М также, как и для древесины наблюдалось изменение вида зависимости (рис. 6) – превращение классической зависимости в виде прямого пучка в параллельные прямые. Следовательно, при полимеризации акратама внутри ламината происходит образование дополнительных связей, но они слабее химических. Кроме того, наличие слабых дополнительных связей приводит к снижению долговечности ламината, несмотря на более высокий предел прочности, а также повышается чувствительность материала к высоким температурам.
В табл. 7 для древесных пластиков и модифицированного ламината представлены величины основных констант, входящие в уравнение для долговечности.
Изменение вида зависимости напрямую связано с величиной самих констант, так после модификации ламината энергия активации сильно снижается и приближается к энергии активации ДСП с мелкой стружкой. Из этого следует, что определяющим компонентом при разрушении материала будет связующее, а не древесный наполнитель.
Рис. 7. Зависимость долговечности (при 20°С) от прочности для ДСП, плотностью 650 кг/м3,
исходного (1) и модифицированного акратамом AS04 (2)
Таблица 7
Величины константы древесных композитов до и после модификации полимерами
|
Материал |
Интервал температур, ºС |
tm (t*, tm*), c |
Tm (Tm*), K |
β, 1/МПа |
g (g*), кДж/ (МПа×моль) |
U0 (U, U0*), кДж/моль |
|
Ламинат Kronostar 31 |
<+40 |
10-2 |
552 |
– |
7,17 |
299 |
|
>+40 |
10-2 |
377 |
– |
17,50 |
743 |
|
|
Модифицированный акратамом ламинат |
– |
10-2,3 |
– |
0,26 |
– |
68,85 |
|
ДСП с мелкой стружкой [13] |
– |
109,4 |
– |
2,25 |
– |
70,00 |
Получение зависимостей долговечности от прочности очень трудоемкий процесс, поэтому для прогнозирования долговечности модифицированных древесных материалов в широком диапазоне нагрузок и температур были получены поправки к долговечности исходных материалов. Их величины указаны в табл. 8.
При этом уравнения для долговечности примут следующий вид
для прямого пучка
, (4)
для обратного пучка
, (5)
где D - величина поправки, учитывающая режим модификации.
Из табл. 8 видно, что для каждого модификатора поправка описывается своей функцией. Продолжительность теплообработки также приводит к изменению поправок, т.к. на протяжении всего этапа в модификаторе будет происходить изменение структуры.
Таблица 8
Поправки к долговечности при модифицировании материалов
|
Материал |
Модификатор |
Продолжительность термообработки, ч |
Вид нагрузки |
Поправка |
|
Древесина |
Эмукрил С |
6 |
Поперечный изгиб |
10-0,0406s+8,647 |
|
10 |
Поперечный изгиб |
100,232s-22,64 |
||
|
Пенетрация |
100,0487H-4,6145 |
|||
|
Эмукрил М |
10 |
Поперечный изгиб |
10-0,0435s+7,2925 |
|
|
Эмульсия 252 |
10 |
Поперечный изгиб |
10-0,0535s+8,2425 |
|
|
Керосин |
– |
Пенетрация |
10-1,76 |
|
|
ДСП |
Акратамом AS04 |
8 |
Поперечный изгиб |
100,312 σ + 0,44 |
3.3. Влияние модификации на биостойкость и огнестойкость древесных пластиков. Далее были рассмотрены еще два важных показателя модифицированной древесины и древесных пластиков, такие как биостойкость и огнестойкость (табл. 9‒12).
Анализ полученных результатов показал, что при использовании в качестве модификаторов эмукрила М и эмульсии 252 огнестойкость древесины не изменяется (табл. 9): потеря массы и длины образцов соответствует натуральной древесине, однако модификация приводит к резкому воспламенению образцов.
Таблица 9
Огнестойкость модифицированной древесины
|
Вид модификатора |
Изменение массы, Δm, % |
Изменение длины, ΔL, % |
|
Без модификатора |
-66,1 |
-1,76 |
|
Эмукрил М |
-63,84 |
-1,63 |
|
Эмульсия 252 |
-65,17 |
-1,62 |
|
Керосин |
-60,86 |
-0,96 |
Модифицированные ДВП теряют на 5 % меньше своей массы, в тоже время вес модифицированных образцов ДСП после воздействия огня уменьшился по сравнению с исходными на 10 % (табл. 10). Это показывает, что модификация ДСП неблагоприятно сказывается на их огнестойкости. Также, как и в случае с древесиной для обоих материалов характерно резкое воспламенение, что не желательно.
Таблица 10
Параметры огнестойкости древесных пластиков
|
Убыль массы в процессе горения |
ДВП |
ДВП после модификации акратамом AS04 |
ДСП |
ДСП после модификации акратамом AS04 |
|
Δm, % |
-66,87 |
-63,43 |
-64,79 |
-71,50 |
Низкая биостойкость древесных пластиков, как и любых других материалов определяется возникновением в них очагов гниения, т.е. их биологическое разложение дереворазрушающими грибами [8] (может происходить разложение целлюлозы, гемицеллюлозы и других полисахаридов, лигнина). В процессе гниения древесных материалов наблюдается их растрескивание, появление ямок, пустот различной формы и размеров. Они начинают крошиться, изменять свой цвет (появляется белая, светло-жёлтая или мраморная окраска, а также светло- или тёмно-бурая). Для протекание данного процесса необходимы следующие условия:
– содержание свободной воды в материале более 18‒20 %;
– наличие воздуха, причем незначительное количество порядка 5‒20 %.
Первый фактор можно предотвратить с помощью модификации, т.к., проникая в стенки клеток древесных частиц, он изолирует их от проникновения влаги.
Таблица 11
Влияние модификации на биостойкость древесины
|
Вид модификатора |
Время появления, в сутках |
|||
|
пленки на поверхности воды |
налета |
гнили и грибков на образцах |
осадка в воде |
|
|
Натуральная древесина |
5 |
9 |
20 |
30 |
|
Эмукрил М |
15 |
30 |
32 |
45 |
|
Эмульсия 252 |
15 |
30 |
45 |
53 |
|
Керосин |
20 |
45 |
45 |
60 |
В процессе нахождения образцов в воде происходили различные изменения. Спустя 24 часа после начала замачивания наблюдалось изменение цвета воды на светло-желтый. Спустя 5 дней на воде образовался толстый слой пленки с пузырьками воздуха, толщина которой постепенно уменьшалась. Цвет воды при этом поменялся на темно-коричневый. На 10 сутки пузырьки начали лопаться, пленка стала глянцевой, а часть образцов опустилась на дно, при этом на поверхности материала появился налет. Через 9‒14 дней практически все образцы полностью погрузились в воду, и далее на их поверхности начала образовываться гниль. При ее разрастании на дне емкости с водой появился осадок. Фото процессов, протекающих с образцами представлено на рис. 8. На рис. 9 приведены фотографии микроструктуры поверхности пораженных участков, сделанные при 100-кратном увеличении.
Из табл. 11 видно, что модификация древесины позволила отсрочить в 2‒3 раза, появления нежелательных процессов в виде образования налета, гнили и т.п. В частности, на натуральной древесине налет был идентифицирован на 9 сутки, а появление гнили – на 20 сутки. Для модифицированной же древесины данные процессы были зафиксированы на 20 и 45 сутки соответственно. В целом все модификаторы показали хороший результаты: однако, при этом наилучшие результаты были достигнуты при использовании керосина, а наихудшие – эмукрила М (таблица 11).
Рис. 8. Фото образцов на различной стадии гниения а) образование пленки в воде,
б) образование налета на образцах ДВП и ДСП, в) образование плесневых грибов на образцах ДСП
|
б) |
|
а) |
Рис. 9. Микрофотографии материала,
а) не подвергшейся действию воды, б) пораженного плесневыми грибками
Для древесных плит в качестве модификатора был взят акратам AS04, выбор которого был обусловлен хорошими результатами по повышению гидрофизических свойств композитов.
Таблица 12
Влияние модификации на биостойкость древесных плит
|
Материал |
Наличие |
Время появления, в сутках |
|||
|
пленки на поверхности воды |
налета на |
гнили и грибков на образцах |
осадка в воде |
||
|
ДВП |
- |
6 |
9 |
19 |
12 |
|
Акратам AS04 |
8 |
15 |
На 40 сутки гнили нет |
17 |
|
|
ДСП |
- |
7 |
11 |
20 |
13 |
|
Акратам AS04 |
6 |
10 |
На 40 сутки гнили нет |
18 |
|
Из табл. 12 видно, что модификация древесных плит также позволяет повысить их биостойкость. Несмотря на то, что процесс образования налета на образцах и осадка в воде замедляется всего лишь на несколько дней, образование гнили в модифицированном материале зафиксировано не было.
4. Выводы. Оптимальный режим модификации древесины и древесных композитов заключается в пропитке их мономерами в течение 3 суток и дальнейшей термообработкой при 80°С в течение 8‒10 ч. Для ламината термообработка сокращается до 6 ч. При использовании керосина продолжительность пропитка увеличивается до 7 суток, а этап термообработки отсутствует.
Модификация древесины и древесных пластиков влияет практически на все свойства. Если рассматривать механические показатели, то наилучшие результаты в качестве модификаторов показали керосин, эмукрил С, акратам AS 01. При этом, для повышения гидрофизических свойств древесных материалов выгоднее всего использовать в качестве модификаторов различные виды акратама. Модификация древесины и материалов на ее основе позволяет отсрочить появления нежелательных процессов в виде образования налета, гнили и т.п. При этом процесс замедляется в 2‒3 раза. Огнестойкость модифицированных древесных пластиков не изменяется, но при этом приводит к резкому воспламенению образцов.
Также необходимо отметить, что на долговечность большое влияение оказывает не только вид модификатора, но и температуры эксплуатации и нагрузки. Например, хорошее повышение долговечности древесины наблюдается после обработки эмукрилами с последующей их термообработкой в течение 10 ч. Величину долговечности для модифицированных материалов можно рассчитать с помощью уравнений (1)‒(5), использую константы приведенные в табл. 6 и 7.
1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебник для студентов высших учебных заведений. под общ. ред. Микульский В.Г. Сахаров Г.П. М.: Изд-во АСВ, 2011. 519 с.
2. Вольфсон С.И., Файзуллин И.З., Мусин И.Н., Грачев А.Н., Пушкин С.А. Физико-механические и реологические характеристики древесно-полимерных композитов на основе термически и механически модифицированного наполнителя // Пластические массы. 2015. № 5‒6. С. 39‒43.
3. Парамонова О.А., Микитченко И.И., Краснощеков А.А., Будников И.В. Модифицированная древесина – материал будущего // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. науч. тр. Международной научно-практической конференции. Пенза, 2002. С. 277-279.
4. Хрулев В.М. Модифицированная древесина в строительстве. М.: Стройиздат, 1986. 112 с.
5. Кузнецова И.Н., Громов С.А. Технология и свойства модифицированной древесины для малоэтажного строительства // Вестник Югорского государственного университета. 2023. № 1 (68). С. 104‒110. DOI:https://doi.org/10.18822/byusu202301104-110 EDN: https://elibrary.ru/MBZWXD
6. Машкин Н.А. Анализ ползучести модифицированной древесины // Инновации в жизнь. 2015. № 1(12). С. 41‒46.
7. Крашенинникова Н.Н. Эффективные средства био- и огнезащиты древесины // Строительные материалы. 2003. № 5. С. 44‒45.
8. Батин М.О., Пичугин А.П., Хританков В.Ф., Кудряшов А.Ю. Повышение биологической стойкости полов из модифицированной древесины введением наноразмерных добавок // Строительные материалы. 2018. № 1‒2. С. 52‒57.
9. Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? М.: Химия, 1992. 320 с.
10. Yartsev V.P., Kiseleva O.A. Prediction of the Building Materials Performance in Products and Structures // Advanced Materials & Technologies. Tambov: Tambov State Technical University. 2019. No. 4 (16). Pp. 35‒52. DOI:https://doi.org/10.17277/amt.2019.04.pp.035-051 EDN: https://elibrary.ru/RRBYWI
11. Мамонтов С.А., Мамонтов А.А. Математические модели поведения термофлуктуационных констант при старении древесных композитов // Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений. Тезисы докладов VIII-го международного симпозиума. Тамбов, 2023. С. 396‒398.
12. Богословский В.Н., Райтман В.М., Парфентьева Н.А. О возможности прогноза долговечности строительных материалов и конструкций на основе кинетического подхода // Известия вузов. 1982. № 9. С. 62‒68.
13. Ярцев В.П., Киселева О.А. Строительные материалы на основе древесины. Прогнозирование и повышение эксплуатационных параметров: прочности, долговечности и термостойкости // LAP LAMBERT Academic Publishing:Chisinau-2068. Republic of Moldova Europe, 2021. 129 с.
14. Yarcev V.P., Kiseleva O.A. Effect of Impregnation Modification on the Operational Properties of Wood Materials // Russian Journal of Building Construction and Architecture. 2024. № 3(63). Pp. 41‒54. DOI:https://doi.org/10.36622/2542-0526.2024.63.3.004 EDN: https://elibrary.ru/GLKCUJ
15. Ярцев В.П., Киселева О.А. Влияние модификации пропиткой на долговечность древесины при неблагоприятных внешних воздействиях // Строительные материалы ХI века. 2009. № 3. С. 22‒23.
