хим состав меда. Исследование химического состава и макростроения термомодифицированной древесины

• Название: Исследование химического состава и макростроения термомодифицированной древесины
• Анкор: хим состав меда
• Дата: 05.04.2023
• Размер: 463.65 Kb.
• Имя файла: issledovanie-himicheskogo-sostava-i-makrostroeniya-termomodifits.docx
• Тип: Исследование; #1038048

УДК674.04

Е. А. Белякова, Т. А. Бодылевская, К. А. Бодылевский, Э. Э. Багаутдинов

ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И МАКРОСТРОЕНИЯ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ДУБА

Ключевыеслова:химическийсостав,макростроение,древесина,дуб,термомодифицирование.
В статье описаны химические реакции протекающие в древесине при обработке высокими температурами,представлены результаты проведенных исследований изменения химического состава и макроструктурыдревесины дуба, термообработанной при температурах 180, 200, 220 и 240 С, описано влияние данных пре-образованийна физико-механические свойства получаемогоматериала.
Keywords:chemicalcomposition,macrostructure,wood,oak,thermomodifying.
The article describes the chemical reaction occurring in the wood at the high processing temperatures, the results ofstudies conducted by changing the chemical composition and structure of the macro oak, heat-treated at tempera-tures of 180, 200, 220 and 240 C, discussed the effects of these transformations on the physico-mechanical proper-tiesof theresulting material.

Введение

Особый интерес на сегодняшний день в каче- стве материала для термомодифицирования пред- ставляет древесина дуба, приобретающая в ходе термообработки эксклюзивные и уникальные харак- теристики, свойственные параметрам мореного ду- ба, при этом сохраняется ее превосходный внешний вид, высокая прочность, долговечность, физико- механические свойства и стойкость к гниению. Дре- весина натурального мореного дуба применяется в производстве дорогой эксклюзивной мебели, суве- нирных и антикварных изделий.

Технологию термомодифицирования древе- сины можно считать на сегодняшний день опти- мальной альтернативой существующим методам искусственного морения дуба. Данный способ по- зволит получать материал со стабильными характе- ристиками и цветом по всей толщине, обладающий при этом меньшей степенью усушки и разбухания, хрупкостью, чем натуральный морёный дуб и улуч- шенными физико-механическими свойствами. Тер- момодифицированная древесина является не только хорошей имитацией ископаемой или мореной дре- весины, но и открывает широкие возможности для применения дерева благодаря приобретенным но- вым эксплуатационным и эстетическим свойствам, как высокохудожественный материал, превосходя по качеству естественно состаренную древесину.

Технология термомодифицирования подроб- но представлена в работах Сафина Р.Р., Беляковой Е.А, Хасаншина Р.Р., Бодылевской Т.А., Бодылев- ского К.А. и др. [1-19].

1. Искусственное морение древесины дуба

Древесина натурального мореного дуба обла- дает особыми свойствами: при длительном нахож- дении в речной или морской воде в результате со- единения дубильных веществ с растворенными в воде минеральными солями окислов железа изменя- ется ее цвет от светло-коричневого до темно- коричневого (до 300-400 лет) и до пепельно-чёрного

с фиолетовым отливом и серебристо-седыми про- жилками (более 1000 лет) [20].

Уникальность натурального мореного дуба и ограниченность его запасов определяют необходи- мость создания технологий, позволяющих в про- мышленных масштабах изготавливать искусствен- ный мореный дуб, идентичный натуральному. Наи- более распространенна на сегодняшний день техно- логия имитации мореного дуба крашением или то- нированием древесины специальными составами.

Крашение может осуществляться морением или протравой. В первом случае древесину много- кратно окрашивают до достижения требуемого от- тенка коричневого цвета гуминовыми кислотами на основе бурых углей и торфа пневматическим рас- пылением или вручную (тампоном, кистью). Во втором случае древесину окрашивают окунанием в водные растворы солей железа, меди, хрома и мар- ганца, в зависимости от состава которых получают древесину коричневых тонов с серо-зелеными или серо-голубыми оттенками. Искусственное морение дуба протравой обеспечивает более глубокое окра- шивание древесины, но длительность процесса мо- жет достигать нескольких недель, что является су- щественным недостатком. Окрашивание методом газирования парами концентрированной азотной кислоты сокращает время обработки до 12-20 часов и, в отличие от первого способа, ворс древесины дуба не поднимается, а в отличие от второго способа

- не происходит коробления обрабатываемого мате- риала. Общими недостатками перечисленных спо- собов имитации мореного дуба можно обозначить трудоемкость и длительность процесса, неравно- мерность глубины окрашивания, нестабильность цвета при воздействии естественного освещения, применение при обработке химических веществ.

Важно отметить, что результаты исследова- ний образцов древесины дуба возрастом от 400 до 8500 лет, приведенные в литературных источниках, показывают, что древесина мореного дуба, пластич- ная в насыщенном водой состоянии, становится хрупкой после высушивания; усушка и разбухание ее в 1,5 раза больше, чем обычной древесины; проч-

ность при сжатии и статическом изгибе и твердость снижаются примерно в 1,5 раза, а удельная работа при ударном изгибе - в 2-2,5 раза. При этом термо- модифицированная древесина дуба, отличающаяся повышенной био-, водостойкостью и формоустой- чивостью, может быть использована в условиях с повышенной влажностью (прибассейновые террито- рии, ванные комнаты, наружные изделия – двери и окна).

Морфологические изменения и изменения физических свойств указывают на химические пре- вращения компонентов клеточной стенки: на уменьшение содержания полисахаридов и возраста- ние количества негидролизуемого остатка по мере увеличения возраста и степени деградации. Уста- новлено, что целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин и экстрактивные вещества способны сохраняться в течение миллионов лет, но в то же время они могут претерпевать изменения даже и за относительно короткие промежутки времени.

Основные компоненты древесины под воз- действием тепла разрушаются по-разному. Целлю- лоза, гемицеллюлоза и лигнин разрушаются более медленно и при более высокой температуре, чем гемицеллюлоза, экстрактивные вещества разруша- ются легче и частично испаряются из древесины во время термообработки.

При относительно низких температурах, до 180...200°С, вследствие присутствия воды в древе- сине, преимущественно протекают реакции деаце- тилирования гемицеллюлоз в результате образова- ния уксусной кислоты. При увеличении температу- ры выше 200°С идут реакции термической деструк- ции. По мере нагрева древесины из ацетилирован- ной гемицеллюлозы путем гидролиза образуется уксусная кислота, которая служит катализатором в процессе гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров и деполимеризует микрофибриллы целлю- лозы. Ксиланы служат основным источником полу- чения уксусной кислоты, фурфурола, а также мета- нола. Деструкция макромолекул ксилана начинается при 120...140°С в случайных местах по ослабленным связям с образованием фрагментов макромолекул, а активный распад ксилана начинается уже при 220°С и продолжается до температуры примерно 290°С.

После термообработки древесины содержа- ние гемицеллюлоз значительно уменьшается. По- скольку гемицеллюлоза является элементом древе- сины наиболее чувствительным к грибку, ее дест- рукция способствует улучшению устойчивости под- вергнутой термообработке древесины к разрушению под воздействием грибка по сравнению с древесиной, высушенной в традиционной камере. С разложением гемицеллюлозы концентрация водопоглощающих гидроксильных групп снижается, что повышает фор- моустойчивость обработанной древесины.

Целлюлоза в отличии от гемицеллюлоз более термостойка благодаря линейному регулярному строению макромолекул, кристаллической структу- ре и прочным водородным связям, реакция целлю- лозы начинается при температуре около 120°С и заключается в расщеплении ее цепей с образовани- ем щелочерастворимых продуктов, а непосредст-

венно деструкция происходит с повышением темпе- ратуры в интервале примерно до 200°С с ускорени- ем реакции.

Данные изменения положительно влияют на показатели равновесной влажности и стабильности размеров термомодифицированной древесины, она значительно лишается способности к впитыванию влаги – «набуханию», что в свою очередь ведет к по- вышению стабильности ее размеров. При этом не- сколько увеличатся показатели твердости древесины при незначительном уменьшении ее прочности.

Важно отметить, что основные реакции дест- рукции древесины начинаются при температуре 280-290 °С, поэтому термомодифицирование при более высоких температурах не проводится.

Таким образом, изменения химического со- става древесины в результате термомодифицирова- ния положительно влияют на показатели равновес- ной влажности, при незначительном уменьшении твердости и прочности древесины, существенно снижается объем материала, чувствительного к грибку, что приводит к повышению показателей биостойкости. С разложением гемицеллюлозы так- же снижается концентрация водопоглощающих гид- роксильных групп, что приводит к улучшению по- казателей формоустойчивости обработанной древе- сины.

2. Макроскопическое строение и химический состав древесины дуба при разных

температурных режимах термомодифици- рования
Суммарное количество экстрактивных ве- ществ (танниды, красители, камеди, моносахариды, гликозиды), растворимых в холодной воде опреде- ляли по уменьшению массы абсолютно сухой древе- сины.

Навеску воздушно-сухих опилок массой око- ло 2 г помещали в стеклянный стакан вместимостью 400 см3 и заливали мерным цилиндром 300 см3 дис- тиллированной воды температурой (23±2)°С. Смесь выдерживали при этой температуре в течение 48 ч при периодическом перемешивании. Затем опилки отфильтровывали на высушенном до постоянной массы стеклянном пористом фильтре с отсосом, смывая опилки из стакана на фильтр дистиллиро- ванной водой. Фильтр с опилками сушили в су- шильном шкафу при температуре (103±2)°С до по- стоянной массы и взвешивают.

Массовую долю веществ, растворимых в хо- лодной воде, % к абсолютной сухой древесине, рас- считывали по уменьшению массы древесины



где m₁ - масса фильтра с остатком древесины, г; m - масса пустого фильтра, г; g - масса абсолютно сухой навески древесины, г.

В результате проведенных следований тер- момодифицированной древесины дуба были полу- чены данные содержания экстрактивных веществ, растворимых в воде, в зависимости от температуры обработки пиломатериала (рис. 1).

Рис. 1 – Содержание экстрактивных веществ, растворимых в воде (%) в древесине термомоди- фицированного дуба
Дополнительно образцы древесины дуба влажностью 12% и термомодифицированного при температурах 453К, 473К, 493К, 513К дуба, были помещены в емкости с дистиллированной водой на 30 суток, в результате чего жидкость приобрела раз- личные оттенки – от прозрачного и светло- коричневого до темно-коричневого (рис. 2), это объ- ясняется высоким содержанием дубильных веществ (5 – 7 %) в древесине дуба.

свидетельствует о полном термическом разложении таннидов.

Термомодифицирование оказывает значи- тельное влияние на макроструктуру древесины, в частности на структуру ее проводящих элементов, что объясняет изменение многих ее физико- механических свойств.

Для изучения образцов древесины дуба обра- ботанных при различных температурных режимах (376К, 453К, 473К, 493К, 513К) провели микросъем- ку при помощи видеоокуляра «MYscope 500 M», который позволил, используя компьютер, отобра- зить (рис.3,4), обработать и проанализировать изме- нения, произошедшие в макроскопическом строении древесины.
2

3

а


2

3

б

Рис. 3 – Макростроение древесины дуба (темпе- ратуры обработки а – 376К, б - 453К): 1 – годич- ный слой; 2 – сосуды; 3 – сердцевинный луч


2

3 _а

4
Рис. 2 – Изменение цвета дистиллированной во- ды после выдержки в течении 30 дней образцов
древесины дуба с различной степенью темпера- 3

турной обработки (слева на право – 373К, 453К, ⁴

473К, 493К, 513К) _{2 б}

При повышенных температурах обработки танниды, содержащиеся в древесине, подвергаются

термическому распаду, и чем ниже температура об- работки, тем их содержание в древесине больше и соответственно темнее цвет окрашиваемой жидко- сти, а чем выше температура обработки, тем содер- жание таннидов в древесине меньше и соответст- венно светлее цвет окрашиваемой жидкости.

Из представленных данных (рис. 1 и 2) видно,

что:

• 
  древесина дуба, высушенная до 12% влаж- ности, в наибольшей степени содержит экстрактив- ные вещества и как следствие интенсивно окраши- вает жидкость;
  
• 
  термомодифицированная древесина дуба при температурах 453К, 473К и 493К окрашивает жидкость в значительно меньшей степени, чем дре- весина при 12% влажности, что свидетельствует о частичном термическом разложении таннидов;
  
• 
  термомодифицированная древесина дуба при температуре 513К не окрашивает жидкость, что
  

Рис. 4 – Макростроение древесины дуба (темпе-

ратуры обработки а - 473К, б - 493К): 1 – годич- ный слой; 2 – сосуды; 3 –сердцевинный луч
Результаты проведенных измерений пред- ставлены в табл. 1.

На основании полученных данных был сде- лан вывод, что повышение температуры обработки древесины ведет к большему высвобождению по- лостей сосудов, в результате чего они становятся полыми. При этом термическому разложению под- вергаются экстрактивные вещества, танниды и ти- лы, содержащиеся в древесине и способствующие влаго- и водопоглощению, в результате чего водо- проводящая функция термомодифицированной дре- весины снижается, не смотря на значительное уменьшение ее плотности.

Таблица 1 – Изменение макроскопического строения древесины дуба и химического состава при разных температурных режимах термомо- дифицирования

Темпе- ратура обра- ботки, С	Химический состав древесины, %			Диаметр сосудов, мм
	лигнин	гемицел- люлоза	экстрактивн ые вещества	крупные	мелкие
103	22,5	27	4,85	0,38	0,04
180	28,5	26	1,87	0,53	0,05
200	32	24	1,58	0,61	0,06
220	34,5	22	0,96	0,66	0,07
240	37,5	20	0	0,71	0,08

Заключение

В качестве материала для термомодифициро- вания особый интерес представляет древесина дуба, приобретающая в ходе термообработки эксклюзив- ные и уникальные цветовые характеристики, свой- ственные параметрам мореной древесины, при этом сохраняются ее превосходный внешний вид, высо- кая прочность, долговечность, физико-механические свойства и стойкость к гниению.

Высокие температуры обработки древесины способствуют высвобождению полостей сосудов, в результате чего они становятся полыми. При этом термическому разложению подвергаются экстрак- тивные вещества, содержащиеся в древесине и спо- собствующие влаго- и водопоглощению. Вследст- вие этого водопроводность термомодифицирован- ной древесины снижается, не смотря на значитель- ное уменьшение ее плотности.

Литература

1. 
   Белякова, Е.А. Исследование процесса термомодифи- цирования древесины в жидкостях / Е.А. Белякова, Т.А. Бодылевская // Деревообрабатывающая промышлен- ность. – 2012. - №2. – С.29-32.
   
2. 
   Белякова, Е.А. Разработка методики классификации термомодифицированной древесины с помощью цвето- вой гаммы / Е.А. Белякова, Р.Р. Сафин, Т.А. Бодылев- ская // Деревообрабатывающая промышленность. – 2013. - №1. – С.30-34.
   
3. 
   Белякова, Е.А. Термомодифицирование твердых пород древесины в жидкостях [Текст]: Дис. канд. техн. наук. / Е.А. Белякова. – Казань, - 2012. – 138 с.
   
4. 
   Пат 2453425 RU, МПК B27K3/02 Способ термообра- ботки древесины / Р.Р. Сафин и др.; заявитель и патен- тообладатель ГОУВПО «КГТУ». - № 2011101723/13; за- явл. 18.01.2011; опубл. 20.06.2012 Бюл. № 17.
   
5. 
   Пат 2453426 RU, МПК B27K5/04 Способ морения дре- весины и устройство для его реализации / Р.Р. Сафин и др.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «КГТУ». -
   

№ 2010154564/03; заявл. 30.12.2010; опубл. 20.06.2012

Бюл. № 17.

6. 
   Сафин, Р.Р. Вакуумно-конвективная сушка пиломате- риалов. Монография / Р.Р. Сафин Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов // ФГБОУ «КГТУ». Казань, 2009.– С.264.
   
7. 
   Сафин, Р.Р. Вакуумно-конвективное термомодифици- рование древесины в среде перегретого пара / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, А.Р. Шайхутдинова // Вест. ка- зан. гос. техн. ун-та. – 2011. - №6. – С.93-99.
   
8. 
   Разумов, Е.Ю. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицирова- нию, с помощью ИК-спектрометра / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, П.А. Кайнов // Вест. казан. гос. техн. ун-та. – 2010. - №10. – С.100-103.
   
9. 
   Сафин, Р.Р. Имитация древесины мореного дуба термо- модифицированием / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова // Дизайн. Материалы. Техноло- гия. – 2010. - №3. – С.95-98.
   
10. 
    Сафин, Р.Р. Исследование вакуумно-кондуктивного процесса модифицирующей термообработки древесины
    

/ Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, М.К. Герасимов, Д.А. Ахме- това // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009.

- № 3. - С. 9-11.

11. 
    Сафин, Р.Р. Исследование термомодифицирования древесины в среде топочных газов / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - № 1. - С. 15-18.
    
12. 
    Сафин, Р.Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления сред / Р.Р. Сафин, И.А. Валеев, Р.Г. Сафин // Вестник Москов- ского государственного университета леса – Лесной вестник. - 2005. - №2. - С. 168-173.
    
13. 
    Сафин, Р.Р. Разработка технологии создания влаго- стойкой фанеры / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Зиат- динов, А.Р. Зиятдинова // Вестник Казан. технол. ун-та.
    

– 2012. Т. 15. №20. – С.64-65.

14. 
    Сафин, Р.Р. Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древесины в жид- костях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Р.А. Халитов, Е.И. Байгильдеева // Вестник Казан. технол. ун-та. – 2012. Т. 15.- №3. – С.131-133.
    
15. 
    Сафин, Р.Р. Разработка новой технологии получения термодревесины / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Е.Ю. Разу- мов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - №1. - С.157-162.
    
16. 
    Сафин, Р.Р. Усовершенствование технологии термо- модифицирования древесины BIKOS-TMT / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вестник Казан. технол. ун-та.– 2012. Т. 15.- №13. – С.134-136.
    
17. 
    Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования термо- модифицирования древесины в гидрофобных жидкостях
    

/ Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вестник Казан. технол. ун- та. – 2011. - №12. – С.241-245.

18. 
    Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования осцил- лирующей сушки древесины в гидрофильных жидкостях
    

/ Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Н.Р. Галяветдинов, Ф.Г. Валиев // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2008. Т. 51. №12. – С.104-106.

19. 
    Хасаншин, Р.Р. Повышение эксплуатационных харак- теристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины / Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Ф.Г. Валиев, Р.В. Данилова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. – 2012. Т15. №7. – С.64-66.
    
20. 
    Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. 3-е изд. М.: МГУЛ, 2001 г., 333 с.
    

© Е. А. Белякова – доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, [e-mail]; Т. А. Бодылевская –

асс. той же кафедры; К. А. Бодылевский – магистрант той же кафедры; Э. Э. Багаутдинов - магистрант той же кафедры.

© E. A. Beliakova - Docent, Department of "Architecture and design of wood" of KNRTU, [e-mail]; T. A. Bodilevskaia - Assistant in the same department; K. A. Bodilevsky - Master student in the same department; E.E. Bagautdinov - Master student in the same department.