Влияние факторов на характеристики эффекта памяти формы древесины

На правах рукописиБЕЛКОВСКИЙ Серафим ЮрьевичВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭФФЕКТАПАМЯТИ ФОРМЫ ДРЕВЕСИНЫ05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудованиедеревопереработкиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМытищи 2016Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский государственный университет леса»Научный руководитель:Горбачева Галина Александровна,кандидат технических наукОфициальные оппоненты:Шамаев Владимир Александрович, профессор, доктор технических наук, Федеральноегосударственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», профессоркафедры древесиноведенияТамби Александр Алексеевич, доцент, кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования«Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М.

Кирова»,доцент кафедры технологии лесопиления исушки древесиныВедущая организация:Федеральное государственное образовательноеучреждение высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет»Защита диссертации состоится 31 мая 2016 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Московская обл., г. Мытищи-5,ул. 1-я Институтская, д. 1, Зал заседаний ученого совета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского государственного университета леса (ФГБОУ ВО «МГУЛ»)(http://www.mgul.ac.ru/info/uchsovet/disserts/D_212.146.03/belkovskiy)Автореферат разослан __________________ г.Ученый секретарьдиссертационного совета__________Котов Алексей Александрович3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫВВЕДЕНИЕАктуальность темы.

Одной из ключевых задач современного материаловедения является создание новых многофункциональных материалов и технологий их получения, необходимых для развития высокотехнологичных секторов экономики. В соответствии с государственной программой РФ «Развитиенауки и технологий» на 2013-2020 годы, к числу приоритетных направленийотносится разработка новых интеллектуальных материалов, в том числе с эффектом памяти формы. Древесина – многофункциональный природный материал, обладающий эффектом памяти. Эффект памяти формы (ЭПФ) древесиныоснован на деформационных превращениях, обусловленных замороженнымидеформациями (ЗД).

К числу безусловных конкурентных преимуществ древесины по сравнению с искусственными материалами относятся также возможность придания комплекса свойств, нанесение эффективных покрытий, проведение повторной переработки, утилизация отходов и др. Для разработки новыхнано-биокомпозитных материалов необходимо детально изучить влияние факторов на характеристики эффекта памяти формы древесины. Исследование закономерностей и характеристик ЭПФ позволит создавать новые «умные» материалы на основе древесины, а также совершенствовать существующие и разрабатывать новые технологические процессы в деревообработке.

Исследованиепредставляет собой актуальную древесиноведческую проблему и носит фундаментальный характер.Работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами ФГБОУ ВПОМГУЛ «31С Изучение наноструктурных, физических и механических свойствдревесины» (№ гос. регистрации 01201153610), «32С Разработка теории взаимосвязи строения наноструктуры и свойств древесины» (№ гос. регистрации01201261667), «61В Теоретические основы создания новых нано-, био и композиционных материалов на основе комплексного рационального использованиялесных ресурсов» (№ гос. регистрации 114031870028).Степень разработанности проблемы. Эффект памяти формы отмечается у многих материалов. Наиболее исследован ЭПФ в сплавах металлов, в работах И.Н.

Андронова, С.А. Абдрахманова, В.А. Лихачева и В.Г. Малинина,А.С. Тихонова, А.П. Герасимова, И.И. Прохорова приводятся результаты исследований в этой области. В последнее время проводятся глубокие исследования ЭПФ в полимерах, отраженные в работах Р.А. Каюмова, Д.Е. Страхова,А.Р. Хохлова, В.А. Белошенко, Ю.В. Возняк, M. Gopi, P. Ravi Kumar, P.Sravanth, S. Aravind, J.

Hiltz, A. Lendlein, S. Kelch, C. Schuh, K. Schuh, M.C.Lechmann, L. Garnier, A. Kraft, T. Xie. Древесина представляет собой комплекс природных полимеров и является природным умным материалом, обладающим эффектом памяти. Данный эффект в древесине был экспериментально обнаружен в конце 1970-х гг. Б.Н. Уголевым и Э.Б. Щедриной.

Эффектпамяти формы базируется на квази-остаточных замороженных деформациях,возникающих под управляющим воздействием нагрузки в процессах сушки и4охлаждения древесины и объясняется временной перестройкой в наноструктуре древесины. Для описания ЭПФ необходимо знать закономерности деформационных превращений древесины при влиянии различных факторов(нагрузка, влажность и температура). Проблемам деформативности древесины посвящены работы Л.М. Перелыгина, А.Х. Певцова, Е.И. Савкова, П.Н.Успасского, Г.Г. Карлсена, В.А. Баженова, Б.И. Огаркова, П.Н.

Житкова, П.Н.Хухрянского, П.С. Серговского, В.Н. Быковского и В.О. Самуйлло, Б.Н. Уголева, В.П. Галкина, Г.А. Горбачевой, В.А. Шамаева, А.А. Тамби и др. Различные проявления ЭПФ в древесине описываются в работах Б.Н. Уголева,Э.Б. Щедриной, Г.А. Горбачевой, J.E. Jakes, A. Martensson, O. Allergretti, R.Rémond, P. Perré и др.Несмотря на значительное число работ в области эффекта памяти формыматериалов, ЭПФ древесины исследован в меньшей мере.

В дальнейшем,необходимы теоретические и экспериментальные исследования влияния факторов на характеристики эффекта памяти формы древесины для более полногои детального описания данного феномена.Цель работы: Теоретические и экспериментальные исследования влияния различных факторов на характеристики эффекта памяти формы древесины.Основные задачи исследования:1) Исследовать деформационные превращения, связанные с различнымипроявлениями эффекта памяти формы древесины, при изменении температуры и влажности на основе модели гигро(термо)-механическихдеформаций древесины.2) Экспериментально исследовать влияние факторов: температуры, влажности, породы древесины, продолжительности нагружения на деформационные превращения, связанные с эффектом памяти формы древесины.3) Разработать метод и способ количественной оценки и визуализацииэффекта памяти формы древесины.4) Экспериментально определить показатели количественной оценки эффекта памяти формы древесины и древесных материалов: Rr (доля обратимых деформаций) и Rf (доля фиксированных (сет) деформаций).5) Исследовать многоформовый эффект памяти древесины.6) Исследовать изменения в структуре древесины при различных проявлениях эффекта памяти формы методом термомеханической спектрометрии;7) Исследовать изменения удельной поверхности древесины с помощьюметода низкомолекулярной адсорбции криптона.8) Разработать практические рекомендации по использованию характеристик ЭПФ для внедрения в учебный процесс в области древесиноведения и в процессы деревообработки.Объект исследования.

Влияние внешних факторов на характеристикиэффекта памяти формы древесины.5Предмет исследования. Характеристики эффекта памяти формы древесины.Научная новизна работы.1) Предложена методика и разработан способ визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины;2) впервые экспериментально исследованы показатели эффекта памятиформы древесины, позволяющие количественно оценить данный эффект;3) экспериментально определено влияние различных факторов: температуры, влажности, породы, продолжительности нагружения на показатели ЭПФ;4) теоретически обоснован и экспериментально исследован многоформовый эффект памяти древесины, показана способность древесины запоминать три формы;5) впервые установлено изменение молекулярно-топологического строения древесины при различных проявлениях ЭПФ методом термомеханической спектрометрии;6) впервые исследована удельная поверхность древесины при различныхпроявлениях эффекта памяти формы методом низкомолекулярной адсорбции криптона.Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическаязначимость заключается в определении характеристик эффекта памяти формыдревесины, использовании модели гигро(термо)-механических деформацийдревесины и показателей эффекта памяти формы полимеров для количественной оценки ЭПФ древесины, установлении влияния различных факторов (температуры, влажности, породы, продолжительности нагружения) на показателиЭПФ для возможного регулирования эффекта памяти формы. Установлено изменение молекулярно-топологического строения и изменение удельной поверхности при ЭПФ, взаимосвязь с показателями эффекта памяти формы и деформационными превращениями.Практическая значимость работы заключается в разработке способа визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины и древесных материалов. Даны практические рекомендации по использованию полученныхэкспериментально-теоретических закономерностей ЭПФ в деревообработке.Результаты исследований внедрены в ЗАО «Коралл» (г.