Влияние факторов на характеристики эффекта памяти формы древесины, страница 3

Эффект памяти формы объясняется временной перестройкой вструктуре древесины. Согласно концепции L. Salmen (2004) древесное вещество представляет собой композиционный материал, состоящий из микрофибрилл целлюлозы, внедренных в лигнин-гемицеллюлозную матрицу. Пространственную структуру матрицы можно представить как суперпозицию трех взаимопроникающих сеток: Н-сетки, образуемой лигнином и углеводами за счетводородных связей и сил физического взаимодействия, ЛУ-сетки, образуемойвалентными связями между лигнином и гемицеллюлозами, Л-сетки, образуемойтрехмерной разветвленной структурой лигнина (P.

Erinsh, 1977).Замороженные деформации являются носителями ЭПФ древесины. В работе Б.Н. Уголева, В.П. Галкина, Г.А. Горбачевой, А.В. Баженова (2007) методом ИК-спектроскопии было показано, что при сушке под нагрузкой древесиныберезы наблюдаются изменения в аморфных областях целлюлозы и в системеводородных связей древесины. J.E. Jakes, N. Nayomi, S. Zelinka, D. Stone (2012)предположили, что гемицеллюлозы и лигнин контролируют механизм ЭПФдревесины. Таким образом, необходимы дополнительные исследования структуры древесины при различных проявлениях ЭПФ. Одним из способов исследования молекулярно-топологического строения древесины является термомеханическая спектрометрия (ТМС) (Ю.А. Ольхов, В.И.

Иржак, С.М. Батурин,1992) – безрастворная диагностика молекулярно-топологического строения полимеров, разработанная в ИХФ РАН и базирующаяся на термомеханическоманализе полимеров. Возможность придания комплекса заданных свойств, присоздании новых эффективных материалов на основе древесины требует исследования величины удельной поверхности. Для исследования удельной поверхности древесины при различных проявлениях ЭПФ использован метод Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ).В третьей главе, состоящей из 4 параграфов, показаны: характеристикаподопытного материала (таблица 2), методика исследования деформационныхпревращений, визуализации и квантификации ЭПФ древесины, исследованиямолекулярно-топологического строения древесины методом ТМС и удельнойповерхности древесины методом низкомолекулярной адсорбции криптона.Таблица 2 – Характеристика подопытного материалаРазмерыПородаВид шпонаобразцов, ммБук (Fagus L.)Строганый200*15*0,6Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.)Строганый200*15*0,6Обече (Triplochiton scleroxylon K.

Schum.) Файн-лайн216*15*0,6250*15*1,5Береза (Betula L.)Лущеный216*15*0,6Дуб (Quercus L.)Строганый200*15*0,6Клен (Acer L.)Строганый200*15*0,612Диапазон изменения температуры – 0-100 ºС, влажности – 0-150 %. Дляисследования эффекта памяти древесины была проведена 31 серия экспериментов на изогнутых образцах шпона. При ТМС термомеханический анализ проводится методом пенетрации в древесину кварцевого полусферического зонда радиусом Ro=2мм в режиме дилатометрии.

Удельную поверхность образцов Sуд,см2/г, находили по низкотемпературной адсорбции криптона при температурежидкого азота (77К) и рассчитывали по методу БЭТ. Площадь, занимаемую адсорбционной молекулой криптона, принимали равной 19,5·10-20 м2, относительная погрешность ±10%.В четвертой главе, состоящей из 5 параграфов, представлены результатыэкспериментальных исследований.

Содержатся результаты исследования деформационных превращений, визуализации и квантификации эффекта памятиформы древесины при изменении температуры и влажности. Для каждого образца были определены следующие виды деформаций: εevp- гигро(термо)механическая деформация, εf - замороженная упруго-эластическая деформация,εs - сет деформация, εp - необратимая пластическая деформация, равная деформации ползучести нагретой или влажной древесины, εev2 - упруго-эластическаядеформация охлажденной или сухой древесины.

При изменении температурынаименьшее значение доли пластических деформаций выявлено для древесиныбука (0,019-0,059) в направлении вдоль волокон. Доля замороженных деформаций составила от 0,23 до 0,66 при изменении температуры, при изменениивлажности значительно выше – 0,72-0,93.Влияние породы древесины и вида шпона на показатели ЭПФ Rr и Rf приизменении температуры приведено рисунке 3.Параметр RfПараметр Rr110,80,8Вдоль волокон0,60,4Поперекволокон0,2Вдоль волокон0,60,4Поперекволокон0,200СоснаБукОбечеСоснаБукОбечеРисунок 3 – Средние значения параметра Rr и Rf при изменении температурыПри изменении температуры величина R rt вдоль и поперек волокон имеет максимальное значение для образцов строганого шпона из древесины бука,0,9729 и 0,7824, соответственно, что обусловлено большим содержанием гемицеллюлоз.

Наименьшие значения показателя R rt вдоль и поперек волокон характерны для образцов реконструированного шпона из древесины обече (0,5721и 0,4331, соответственно), что объясняется многостадийной предшествующейтехнологической обработкой, наличием клеевых соединений.13Влияние породы древесины и вида шпона на показатели ЭПФ древесиныR и R wf при изменении влажности приведены в таблице 3. Учитывая температурно-влажностную аналогию, закономерности и причины влияния породыдревесины и вида шпона на величину показателей R rw и R wf при изменениивлажности будут, как в случае изменения температуры.

Следует отметить высокие значения показателя Rfw вдоль волокон для всех пород и видов шпона.При изменении влажности величина R rw вдоль волокон имеет максимальноезначение для образцов строганого шпона из древесины бука и лущеного шпонаиз древесины березы.Таблица 3 – Влияние породы древесины и вида шпона на показателиЭПФ при изменении влажностиwrПоказатели эффектапамяти древесиныСтатистическиепоказателиx±sv;%x±sv;%x±sv;%x±sv;%R rw вдоль волокон.R rw поперек волоконR wf вдоль волоконR wf поперек волоконСосна,строганый0,78920,05266,60,3880,0380,9350,0161,70,8920,0394,4Порода, вид шпонаБук,Береза,строганый лущеный0,9480,8070,0120,0031,30,30,2620,7250,080,036314,90,9230,9230,0790,0378,640,8620,8570,110,07612,88,9Обече,файн-лайн0,7790,0496,20,7220,0121,60,9430,0080,80,8330,0172,0Возможность регулирования параметров эффекта памяти при изменениитемпературы и влажности представлена на рисунке 4А и 4Б.

Величина Rf втемпературном интервале 100 ºC меняется в 3,6 раза, в диапазоне измененияконечной влажности от 26% до 0,9%, величина Rf увеличивается в 2,1 раза иимеет довольно высокие значения – 0,47-0,99.АБРисунок 4 – Возможность регулирования параметров эффекта памяти приизменении температуры (А) и влажности (Б)14На рисунке 5 показана визуализация многоформового эффекта памятидревесины для образца строганого шпона из древесины бука в направлениивдоль волокон при нагревании.

Процесс восстановления начальной формы –ступенчатый, древесина последовательно вспоминает исходную форму. Принагревании древесины от 2 до 60 ºС исчезают термозамороженные деформациилевой части, при дальнейшем повышении температуры от 60 до 100 ºС восстанавливает свою форму правая часть.

Величина остаточных деформаций выше управой части, что связано с большей деформативностью древесины при температуре 100 ºС. Таким образом, древесина запоминает три формы.Рисунок 5 – Визуализация многоформового эффекта памяти при нагревании (строганый шпон, бук, вдоль волокон)Представлены результаты исследования изменения молекулярнотопологического строения древесины методом ТМС для образцов исходной,временной и восстановленной форм.

На рисунке 6 приведены термомеханические кривые (ТМК) исходной древесины сосны (рисунок 6А) и бука в состоянии временной формы (рисунок 6Б).T, ᵒCT, ᵒCАБРисунок 6 – Термомеханические кривые исходной древесины сосны (А) ибука в состоянии временной формы (Б)15Молекулярно-релаксационные и количественные характеристики в топологических блоках для древесины бука показаны в таблице 4.Таблица 4 – Молекулярно-топологическое строение древесины букаХарактеристики1-Бк-140 –1-Бк-1421-Бк-143- восстадревесиныисходная форма временная форма новленная формаАморфный блок – матрица псевдосетчатого строения-73-77-71Тс,С5-16,676,288,821 х 10 град19,817,223,82 х 105град-1Vf0,0720,0640,052Mcn28301252500Mcw50001804670K1771,451,870,760,260,83ао1933213Т, СВысокотемпературный аморфный блок псевдосетчатого строенияоТ′с, С--19--M′cn-2790--M′cw--4640--К′--1,66--0,000,300,00′а--213--Т′,оСКластерный блок-узел разветвления псевдосеткиоТкл, С1962252165-1-285,7-284,9-286,93 х 10 градМкл177803548022000,5300,5200,520т0,240,440,17КлТт о С216250223Влажность,9,37,610,2вес.%Обозначения в таблице: Тс , Т′с – температура стеклования; 1, 2 ,3 – коэффициенты линейного термического расширения; Mcn , M′cn – среднечисленнаямолекулярная масса; Mcw , M′cw – средневесовая молекулярная масса; K, К′ –коэффициент полидисперсности; а, ′а – весовая доля аморфных блоков; Т,Т′ – температура плато высокоэластичности; Ткл – температура начальнойсегментальной релаксации в кластере; Мкл – молекулярная масса закластеризованных цепей; T – весовая доля топологических узлов; кл – весовая доля закластеризованных цепей; Тт – температура начала молекулярного течения.Исходная древесина бука и сосны имеет топологически диблочнуюаморфно-кластерную структуру псевдосетчатого строения (рисунок 6А, таблица 4).

При изгибе и сушке под нагрузкой образец принимает временную форму,16образуя замороженные деформации. При этом происходит существеннаятрансформация топологической структуры. Древесина бука становится триблочной, образуется высокотемпературный аморфный блок псевдосетчатогостроения (рисунок 6Б, таблица 4). При возвращении исходных физическихусловий происходит, полная структурная деградация высокотемпературногоаморфного блока, восстановление постоянной формы. При этом восстанавливается исходная диблочная аморфно-кластерная структура псевдосетчатого строения с некоторыми изменениями молекулярно-релаксационных характеристик(таблица 4).На рисунке 7 показаны функции молекулярно-массового распределения(ММР) древесины бука в исходном состоянии (рисунок 7А), в состоянии временной (рисунок 7В) и восстановленной формы (рисунок 7С).

Функция ММРисходной древесины бука тримодальна (рисунок 7А), она восстанавливаетсяпри возвращении исходных физических условий (рисунок 7С).Исходное состояние 1-Бк-140(А), временная форма 1-Бк-142 (В) и восстановленная форма 1-Бк-143 (С)Рисунок 7 – Функции ММР межузловых цепей псевдосетки аморфногоблока древесины букаБолее наглядно трансформация топологической структуры древесиныбука при различных проявлениях ЭПФ показана на рисунке 8. Для древесинысосны при образовании замороженных деформаций формируется тетраблочнаяструктура, образуется кристаллический блок узел разветвления псевдосетки(Тпл=0 оС, Мк=5000) и высокотемпературный аморфный блок (Т′с=17 оС,M′cn=5700, M′cw=9280, К′=1,63).Исследование удельной поверхности образцов древесины проводилосьметодом низкомолекулярной адсорбции криптона.

На рисунке 9 показано изменение удельной поверхности образцов древесины сосны, бука и березы приформировании исходной, временной и восстановленной форм. Для древесиныдуба данная методика оказалась нечувствительной, что объясняется особенностями микроскопического строения.17Рисунок 8 – Трансформация топологической структуры древесины букапри проявлении эффекта памяти формыУдельная поверхность, м2/г0,350,30,25Rr=0,7850Rf=0,9878Rr=0,8836Rf=0,9902Rr=0,8932Rf=0,99860,20,150,10,050СоснаИсходная формаБерезаВременная формаБукВосстановленная формаРисунок 9 – Величина удельной поверхности и показатели количественной оценки ЭПФ образцов древесиныДля всех исследованных образцов характерны высокие значения показателя Rf, отражающего способность запоминать временную форму. При этомнаибольшие изменения наблюдаются для древесины бука, удельная поверхность значительно уменьшилась, для древесины березы и сосны - изменения впределах точности измерений.