Влияние факторов на характеристики эффекта памяти формы древесины Белковский Серафим Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования 11

1.1 Обзор исследований в области эффекта памяти формы... 11

1.2 Цели и задачи исследования 19

1.3 Выводы по главе 1 20

2 Теоретическая часть 22

2.1 Характеризация эффекта памяти формы древесины 22

2.2 Модель гигро(термо)-механических деформаций древесины 25

2.3 Показатели количественной оценки эффекта памяти формы древесины и древесных материалов 28

2.4 Многоформовый эффект памяти древесины 30

2.5 Изменения в структуре древесины при различных проявлениях эффекта памяти формы 36

2.6 Выводы по главе 2 43

3 Разработка методики экспериментального исследования 44

3.1 Характеристика подопытного материала 44

3.2 Методика исследования деформационных превращений, визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины 47

3.3 Методика исследования изменений в структуре древесины при проявлении эффекта памяти формы 63

3.3.1 Методика исследования молекулярно-топологического строения древесины методом термомеханической спектрометрии 63

3.3.2 Методика исследования удельной поверхности древесины методом низкомолекулярной адсорбции криптона 65

3.4 Выводы по главе 3 67

4 Результаты экспериментов и их обсуждение 69

4.1 Исследование деформационных превращений, визуализации и квати-фикации эффекта памяти формы древесины при изменении темпера 3

туры 69

4.2 Исследование деформационных превращений, визуализации и кван тификации эффекта памяти формы древесины при изменении влажности 83

4.3 Исследование изменения молекулярно-топологического строения древесины методом термомеханической спектрометрии 97

4.4 Исследование удельной поверхности образцов древесины методом низкомолекулярной адсорбции криптона .

4.5 Выводы по главе 4 117

5 Практическое применение закономерностей и характеристик эффекта памяти формы древесины 120

5.1 Применение результатов экспериментального исследования эффекта памяти формы древесины в учебном процессе 120

5.2 Способ и устройство визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины и древесных материалов 122

5.3 Разработка рекомендаций по использованию закономерностей и характеристик эффекта памяти формы древесины в деревообработке 123

5.4 Датчик для определения влажности воздушной среды 127

5.5 Выводы по главе 5 129

Основные выводы и практические рекомендации 130

Библиографический список

• Цели и задачи исследования
• Показатели количественной оценки эффекта памяти формы древесины и древесных материалов
• Методика исследования деформационных превращений, визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины
• Исследование деформационных превращений, визуализации и кван тификации эффекта памяти формы древесины при изменении влажности

Введение к работе

Актуальность 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 «Развитие науки и технологий» на 2013-2020 годы, к числу приоритетных направлений относится разработка новых интеллектуальных материалов, в том числе с эффектом памяти формы. Древесина – многофункциональный природный материал, обладающий эффектом памяти. Эффект памяти формы (ЭПФ) древесины основан на деформационных превращениях, обусловленных замороженными деформациями (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 новых нано-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. Исследование представляет собой актуальную древесиноведческую проблему и носит фундаментальный характер.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами ФГБОУ ВПО МГУЛ «31С Изучение наноструктурных, физических и механических свойств древесины» (№ гос. регистрации 01201153610), «32С Разработка теории взаимосвязи строения наноструктуры и свойств древесины» (№ гос. регистрации 01201261667), «61В Теоретические основы создания новых нано-, био и композиционных материалов на основе комплексного рационального использования лесных 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. Эффект памяти формы базируется на квази-остаточных замороженных деформациях, возникающих под управляющим воздействием нагрузки в процессах сушки и

охлаждения 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. Уго-лева, 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. Rmond, P. Perr и др.

Несмотря на значительное число работ в области эффекта памяти формы материалов, ЭПФ древесины исследован в меньшей мере. В дальнейшем, необходимы теоретические и экспериментальные исследования влияния факторов на характеристики эффекта памяти формы древесины для более полного и 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 различными проявлениями эффекта памяти формы древесины, при изменении температуры и влажности на основе модели гигро(термо)-механических деформаций 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 визуализации эффекта памяти формы древесины.

4. Экспериментально определить показатели количественной оценки эффекта памяти формы древесины и древесных материалов: R_r (доля обратимых деформаций) и R_f (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 помощью метода 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 характеристики эффекта памяти формы древесины.

Предмет исследования. Характеристики эффекта памяти формы древесины.

Научная новизна работы.

9. Предложена методика и разработан способ визуализации и квантифи-кации эффекта памяти формы древесины;

10. впервые экспериментально исследованы показатели эффекта памяти формы древесины, позволяющие количественно оценить данный эффект;

11. экспериментально определено влияние различных факторов: температуры, влажности, породы, продолжительности нагружения на показатели ЭПФ;

12. теоретически обоснован и экспериментально исследован многоформо-вый эффект памяти древесины, показана способность древесины запоминать три формы;

13. впервые установлено изменение молекулярно-топологического строения древесины при различных проявлениях ЭПФ методом термомеханической спектрометрии;

14. впервые исследована удельная поверхность древесины при различных проявлениях эффекта памяти формы методом низкомолекулярной адсорбции криптона.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в определении характеристик эффекта памяти формы древесины, использовании модели гигро(термо)-механических деформаций древесины и показателей эффекта памяти формы полимеров для количественной оценки ЭПФ древесины, установлении влияния различных факторов (температуры, влажности, породы, продолжительности нагружения) на показатели ЭПФ 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 полученных экспериментально-теоретических закономерностей ЭПФ в деревообработке.

Результаты исследований внедрены в ЗАО «Коралл» (г. Пушкино Московской области), МУП ГП Сергиев Посад «Теплосеть» (г. Сергиев Посад Московской области) и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса».

Научные положения, выносимые на защиту.

1) Показатели и методика квантификации ЭПФ древесины, полученные на основе модели гигро(термо)-механических деформаций древесины и показателей ЭПФ полимеров. Влияние факторов (температуры и влажности) на показатели эффекта памяти древесины, возможности регулирования эффекта памяти древесины;

2. Cпособ визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины;

3. Способность древесины запоминать несколько форм;

4. Трансформация топологической структуры древесины при образовании временной формы и восстановлении постоянной формы;

5. Изменение характеристик молекулярно-топологического строения древесины при различных проявлениях эффекта памяти формы, определенных методом термомеханической спектрометрии;

6. Изменения удельной поверхности древесины при различных проявлениях эффекта памяти формы;

7) Рекомендации по использованию полученных экспериментально-
теоретических закономерностей ЭПФ в технологических процессах дере
вообработки и при эксплуатации изделий, а также совершенствования
учебного процесса по курсу древесиноведения и физики древесины.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы до
кладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-
преподавательского состава Московского государственного университета леса
(Мытищи, 2011-2015 гг.), международной студенческой конференции SVOC
(Зволен, Словакия, 2011 г.), ежегодной сессии РКСД (Санкт-Петербург, 2011
г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы
и перспективы лесопромышленного комплекса» (Кострома, 2012 г.), Plenary
IAWS meeting «Wood the best material for mankind» (Зволен, Словакия, 2012 г.),
международной конференции «Экологобезопасные ресурсосберегающие тех
нологии обработки древесины» (Киев, 2013 г.), 57-ой международной конфе
ренции Society of Wood Science and Technology «Sustainable Resources and
Technology for Forest Products» (Зволен, Словакия, 2014 г.), Plenary IAWS
meeting «Eco-efficient Resource Wood with special focus on hardwoods» (Шопрон-
Вена, Венгрия, Австрия, 2014 г.), 5-ом международном симпозиуме РКСД
«Строение, свойства и качество древесины – 2014» (Мытищи, 2014 г.), между
народной конференции ICWSE «Wood science and engineering in the third
millennium» (Брашов, Румыния, 2015 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, включая 3 статьи в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК РФ, подано 2 заявки на патенты – изобретение и полезную модель.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. В процессе проведения исследований на опытных образцах древесины были использованы теоретико-эмпирические методы, методы сравнения и наблюдения, теории планирования эксперимента, математической статистики, разработанные методы определения количественных показателей, методы химического и физического анализа.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается использованием современных методик, приборов и программного обеспечения на базе лаборатории Центра коллективного пользования научным оборудованием «Центр физико-механических испытаний древесины» (ЦКП ЦФМИД) НОЦ

«Нанотехнологии в лесном комплексе» ФГБОУ ВПО МГУЛ, лаборатории наноразмерных пленок и порошков и лаборатории полимерных связующих ИПХФ РАН, методов математической статистики при обработке результатов, а также достаточным объемом экспериментального материала.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки, пункту 1 – Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, основные выводы и практические рекомендации, библиографический список и приложения. Основное содержание изложено на 146 страницах машинописного текста, общий объем – 160 страниц, иллюстрировано 61 рисунком и 18 таблицами. Список использованной литературы содержит 120 источников, в том числе 38 иностранных.

Цели и задачи исследования

Анализ имеющихся литературных источников показал, что не все вопросы, связанные с изучением ЭПФ древесины, достаточно исследованы.

Целью данной работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований влияния факторов на характеристики эффекта памяти формы древесины.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) Исследовать деформационные превращения, связанные с различными проявлениями эффекта памяти формы древесины, при изменении температуры и влажности на основе модели гигро(термо)-механических деформаций 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 визуализации эффекта 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 помощью метода низкомолекулярной адсорбции криптона. 8) Разработать практические рекомендации по использованию характеристик ЭПФ для внедрения в учебный процесс в области древесиноведения и в процессы деревообработки.

По современным материаловедческим представлениям в понятие характеризация, прочно закрепившееся в научном лексиконе, входит комплекс показателей объекта исследований [66; 67; 101]. Чем более полно проведена характеризация, тем эффективней результаты исследования. Применительно к древесине -крайне изменчивому, анизотропному и неоднородному материалу биологического происхождения такая необходимость ощущается особенно остро.

ЭПФ является доминантным признаком умных материалов. Древесина относится к многофункциональным умным материалам природного происхождения [68; 81]. ЭПФ - латентное свойство древесины. Характеризация этого явления вызывает необходимость проведения разноплановых исследований фундаментальных свойств древесины.

В отличие от прошлых лет, когда обычно определяли показатели отдельных свойств древесины в результате воздействия одного внешнего фактора, теперь стараются характеризовать ее состояние в режиме «in situ» при одновременном воздействии многих факторов (нагрузки, времени, влажности, температуры и т.д.). ЭПФ древесины связан с деформационными превращениями и обусловлен временной перестройкой в наноструктуре древесины.

Б.Н. Уголевым экспериментально были обнаружены очень большие квазиостаточные деформации при исследовании стесненной усушки древесины [9; 69]. Позднее, они были названы замороженными деформациями. Это послужило поводом для разработки в 1971 г. Б.Н. Уголевым совместно с Ю.Г. Лапшиным интегрального закона деформирования древесины под нагрузкой при изменении влажности и температуры [69; 118]. При этом был принят во внимание различный характер деформирования древесины при сушке и увлажнении.

Уравнение 2.1 описывает деформирование древесины для случая сушки-увлажнения, при независимости коэффициентов усушки (разбухания) от уровня напряжений [60]. Используя температурно-влажностную аналогию, можно применять подобное уравнение для расчетов деформирования древесины в процессах нагревания-охлаждения.

Показатели количественной оценки эффекта памяти формы древесины и древесных материалов

Б.Н. Уголевым экспериментально были обнаружены очень большие квазиостаточные деформации при исследовании стесненной усушки древесины [9; 69]. Позднее, они были названы замороженными деформациями. Это послужило поводом для разработки в 1971 г. Б.Н. Уголевым совместно с Ю.Г. Лапшиным интегрального закона деформирования древесины под нагрузкой при изменении влажности и температуры [69; 118]. При этом был принят во внимание различный характер деформирования древесины при сушке и увлажнении.

Уравнение 2.1 описывает деформирование древесины для случая сушки-увлажнения, при независимости коэффициентов усушки (разбухания) от уровня напряжений [60]. Используя температурно-влажностную аналогию, можно применять подобное уравнение для расчетов деформирования древесины в процессах нагревания-охлаждения.

Рассмотрим более подробно модель гигро(термо)- механических деформаций древесины, вытекающую из этого закона. Хорошо известны компоненты деформаций древесины при стабильной влажности или температуре. Нагружение древесины вызывает обратимые упругие ве и эластические ev деформации и необратимые деформации ползучести ес (рисунок 2.2). При разгрузке остаточные пластические деформации ег = ес = єр остаются.

Изменения упругих, эластических и пластических деформаций древесины при сушке и увлажнении [Приводится по 10] На рисунке 2.3 показано поведение древесины при переходе от влажного состояния к сухому и наоборот. Кратковременное нагружение влажной древесины приводит к образованию упруго-эластической деформации evi (0-1). Долговременное нагружение добавляет пластическую деформацию сі (1-2). Продолжительное, медленное нагружение (0-2) и разгрузка (2-3) сохраняют остаточные деформации г (0-3). Можно рассмотреть разные истории поведения древесины. Например, увлажнение (4-0) и нагружение (0-2) приводит к образованию общей деформации sevcl = sevpl (0-2 ). При сушке под нагрузкой (2-10) эта деформация сохраняется неизменной, хотя жесткость древесины увеличивается. При разгрузке сухой древесины упруго-эластические деформации eV2 возвращаются (10-11). Сет (4-11) включает замороженную деформацию f (4-9) и остаточную деформацию г, которая равна ползучести влажной древесины с1 , т.е. пластической деформации рі [10; 69].

Данная модель с учетом температурно-влажностной аналогии может быть применима для описания деформаций при охлаждении и нагревании древесины под нагрузкой [10]. Важное следствие этой модели - постоянство общих деформаций древесины было обнаружено [69] при сушке изогнутых образцов ели и охлаждении растянутых образцов. Это явление можно заметить в работах других исследователей - при охлаждении изогнутых образцов ели, бука, граба [104], и при сушке нагруженной древесины [79; 116]. Такая особенность связана с образованием замороженных упруго-эластических деформаций. Из модели следует также, что образующиеся при достаточно продолжительном действии нагрузки пластические деформации влажной древесины ес сохраняются постоянными при высыхании. Следовательно, сохраняется и постоянство общих деформаций [10].

Как следует из схемы (рисунок 2.3), замороженная деформация (отрезок 4-9) представляет собой разницу между упруго-эластическими деформациями древесины при начальной и конечной влажности (абсциссы точек 1 и 5). /= evi - ev2 , (2.2) / = «i- « =- = (! ). С2-3) Таким образом, замороженные деформации образуются в результате временной перестройки структуры древесины под управляющим воздействием нагрузки при увеличении жесткости древесины в процессах сушки или охлаждения. Они исчезают при нагревании или увлажнении [10, 51].

Для количественной оценки (квантификации) ЭПФ, доминантного признака древесины как природного умного материала, можно применить показатели, используемые для полимеров с ЭПФ Rr и Rf [59; 98; 117].

Используя положения модели гигро(термо)-механических деформаций древесины были получены выражения для расчета показателей ЭПФ при однократном изменении влажности или температуры нагруженной древесины [64]. Доля обратимых деформаций Rr определяется по выражению:

Из модели следует, что образующиеся при достаточно продолжительном действии нагрузки пластические деформации влажной или нагретой древесины с = р сохраняются постоянными при высыхании или охлаждении. Величина пластических деформаций влажной или нагретой древесины зависит от уровня напряжений, температуры, влажности и продолжительности нагружения [10]. Таким образом, величина доли обратимых деформаций Rr определяется начальны 29 ми условиями деформирования и практически не зависит от величины перепада влажности или температуры. При многократном изменении температуры или влажности нагруженной древесины, включающем N циклов, величина Rrit0t(N) определяется из соотношения [98]: Доля фиксированных (сет) деформаций Rf при однократном изменении температуры или влажности нагруженной древесины вычисляется по формуле: Rf = = , (2.6) J Zevp Zevp где f - величина замороженных упруго-эластических деформаций.

Доля замороженной деформации в общей зависит от перепада влажности или температуры [10]. Таким образом, показатель R/ определяется не только начальными условиями деформирования, но и величиной снижения температуры или влажности. ЗД являются носителями эффекта памяти древесины, определяют долю фиксированных (сет) деформаций и позволяют регулировать величину Rf.

Г.А. Горбачевой [10] были исследованы деформационные превращения при знакопеременной нагрузке. Экспериментально была выявлена способность древесины запоминать вид приложенной нагрузки (растяжение или сжатие). Эффект деформационной памяти зависит от истории деформирования, меняется характер кривой восстановления начальных размеров. Наблюдаемый размер уменьшался при исчезновении ЗД растяжения или увеличивался при размораживании замороженных деформаций сжатия. Поскольку результирующая замороженная деформация, при смене знака нагрузки, представляла алгебраическую сумму замороженных деформаций растяжения и сжатия, соблюдался принцип аддитивности. При изменении вида, величины, продолжительности нагрузки, интервалов снижения температуры при последующем нагревании были получены спектры возможных кривых восстановления начальных размеров образца. Экспериментально было показано, что зависимость восстановленной ЗД от величины перепада температуры при действии знакопеременной нагрузки, как и для однократной нагрузки, является линейной. Подобные закономерности наблюдались и для случая гигро-механических деформаций [10].

Методика исследования деформационных превращений, визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины

По результатам экспериментов определялись следующие статистические параметры: выборочное среднее &

Методика исследования молекулярно-топологического строения древесины методом термомеханической спектрометрии Древесина является комплексом природных полимеров. Молекулярная масса, молекулярно-массовые характеристики, химическая структура цепи определяют комплекс химических, физических и механических свойств полимеров.

Были исследованы образцы древесных пород – бук, сосна. Для каждой древесной породы в опыте использовалось несколько образцов – постоянной формы, временной формы и восстановленной формы, для которых определялись показа 64 тели квантификации Rr или Rf. В Таблице 3.3 приведены основные параметры и процедура подготовки образцов для эксперимента. № образца Процедура испытаний Форма образца Деформация Показатели ЭПФ 1 Перед испытаниями Исходная є=0 2 Увлажнение при t=80C до Wн 100%, изгиб, сушка под нагрузкой при t=80C до Wк 9%, разгрузка Временная є=є =sЄ, + ЄІ р Rf 3 Увлажнение при t=80C до Wн 100%, изгиб, сушка под нагрузкой при t=80C до Wк 9%, разгрузка, повторное увлажнение при t=80CдоWн 100%, Послевосстановления є=єр Rr

Термомеханическая спектрометрия (ТМС) используется в молекулярно-массовом и топологическом анализе лигнин-гемицеллюлозной матрицы древесины, а также компонентов древесинного вещества (целлюлоза, лигнин) без использования растворителей [28].

Эксперименты проводились в ИПХФ РАН в лаборатории полимерных связующих, использовался термоанализатор УИП-70м [26]. Термомеханический анализ проводился методом пенетрации в древесину кварцевого полусферического зонда радиусом Ro=2 мм [35].

Схема определения деформации образца представлена на рисунке 3.8. (1) нагрузка, (2) кварцевый зонд, (3) полусферический наконечник зонда, (4) образец

Методика исследования удельной поверхности древесины методом низкомолекулярной адсорбции криптона

Исследования проводились с использованием сорбционнного анализатора удельной поверхности и распределения пор по размерам Quadrasorb SI [105] (рисунок 3.9) в Институте проблем химической физики РАН в лаборатории нанораз-мерных пленок и порошков. Основные технические характеристики анализатора Quadrasorb SI:

Удельную поверхность образцов Sуд, см2/г, находили по низкотемпературной адсорбции криптона при температуре жидкого азота (77К) и рассчитывали по методу БЭТ. Площадь, занимаемую адсорбционной молекулой криптона, принимали равной 19,5 10Е-20 м2, относительная погрешность ±10%. 1 - Полупрозрачная защитная крышка;

Методика и параметры проведения исследования указаны в таблице 3.4. Были исследованы образцы древесных: пород бук, сосна, дуб, береза. Для каждой древесной породы в опыте использовалось несколько образцов – постоянной формы, временной формы и восстановленной формы. Таблица 3.4 – Параметры и методика проведения исследования

Для комплексного исследования влияния факторов на характеристики эффекта памяти формы были разработаны методики экспериментального исследования деформационных превращений, визуализации, квантификации, изменений в структуре древесины. Определение характеристик ЭПФ позволит выявить взаимосвязи между строением и свойствами.

1. Разработаны методики экспериментального исследования эффекта памяти формы древесины при однократном и многократном изменении влажности, температуры.

2. Приведены характеристики подопытного материала, технология изготовления образцов и используемое оборудование.

3. Приведена методика исследования изменений в структуре древесины методом термомеханической спектрометрии, позволяющим осуществить комплексную диагностику молекулярно-топологического строения и установить влияние на показатели ЭПФ.

4. Приведена методика исследования удельной поверхности древесины методом низкомолекулярной адсорбции криптона для оценки изменений структуры при различных проявлениях ЭПФ древесины.

5. Данные методики позволяют более полно и подробно провести характеризацию эффекта памяти формы и выявить влияние различных факторов на характеристики ЭПФ древесины. Исследование деформационных превращений, визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины при изменении температуры

Для исследования эффекта памяти при действии изгибающей нагрузки и изменении температуры были проведены 12 серий экспериментов при однократном изменении температуры и 4 серии опытов при трехкратном изменении температуры в соответствии с намеченным планом ( 3.2).

Для каждого образца были определены следующие виды деформаций: eevp термомеханическая деформация, е{- замороженная упруго-эластическая деформация, є,- сет-деформация, єр- необратимая пластическая деформация, равная деформации ползучести нагретой древесины, eev2. Примеры протоколов испытаний и результаты определения деформаций представлены в ПРИЛОЖЕНИИЯХ Е и З. На рисунке 4.1 представлены изменения деформаций во времени для образца 1-С-3 (вдоль волокон, сосна, строганый шпон) [7].

Исследование деформационных превращений, визуализации и кван тификации эффекта памяти формы древесины при изменении влажности

Способ визуализации и квантификации заключается в следующем: образец древесины или древесного материала помещается в приспособление 4 для нагру-жения и фиксации формы испытуемого образца, выполненного в виде кольца из некорродирующего металла, например, алюминия, снабженного захватами для фиксации формы образца. Приспособление 4 с испытуемым образцом размещается в емкость 1 при заданной начальной температуре, затем происходит охлаждение испытуемого образца до конечной температуры или снижение влажности до конечной величины, посредством устройства 2 для обеспечения воздействия параметров окружающей среды на испытуемый образец материала в качестве которого используется нагревательный элемент. Затем образец вынимается из приспособления 4 для нагружения и фиксации формы испытуемого образца, выдерживается, затем происходит нагревание или увлажнение образца до начальной температуры или влажности среды и последующая выдержка. Изменения формы образца отображаются и сохраняются в устройстве для фото- и видеосъемки 3, связанном с компьютером 5, что позволяет визуализировать эффект памяти формы древесины и древесных материалов и определить его показатели.

Таким образом, предложенный способ и устройство обеспечивает визуализацию и квантификацию эффекта памяти формы древесины и древесных материалов.

ЭПФ основан на деформационных превращениях, происходящих при изменении различных факторов. Данные закономерности являются основой многих технологических процессов обработки древесины: гнутья, прессования, сушки и других. Поведение деревянных изделий и конструкций при эксплуатации [10] также объясняется деформационными превращениями, вызванными действием указанных факторов. Кроме того, обнаруженные закономерности необходимы при разработке новых многофункциональных материалов на основе древесины. Использование характеристик эффекта памяти формы древесины позволяет совершенствовать существующие и разрабатывать новые технологические процессы обработки древесины.

Ранее Г.А. Горбачевой были рассмотрены различные варианты технологических аспектов использования термо- и влагозамороженных деформаций древесины. Показано применение закономерностей деформационных превращений в процессах гнутья, прессования и сушки древесины [10]. Были предложены практические рекомендации по улучшению качества шпона, высушенного в ленточных сушильных камерах.

Показатели квантификации эффекта памяти формы древесины позволяют провести количественную оценку способности древесины фиксировать временную форму (показатель Rf) восстанавливать постоянную (показатель Rr). В связи с этим, предложено внедрить разработанную систему показателей ( 3.2), предложенный способ визуализации и квантификации эффекта памяти формы древесины ( 5.2), результаты исследования ( 4.1, 4.2) для совершенствования технологических режимов гнутья. Экспериментально показано, что способность древесины запоминать временную форму, которую отражает показатель Rf, в направлении вдоль волокон и поперек для всех пород и видов шпона имеют высокие значения (0,923-0,943 и 0,833-0,8927, соответственно). Соответственно это обеспечивает увеличение формостабильности изделий в процессе дальнейшей эксплуатации.

Образование временной формы полученной в результате гнутья сопровождается трансформацией топологической структуры древесины( 4.3). Данное обстоятельство позволяет снизить количество связующего применяемого в производстве гнуто-клееных изделий, что, в свою очередь, приведет к уменьшению отрицательного влияния токсичных веществ на здоровье человека и окружающую среду. Особенно это актуально для изделий, эксплуатирующихся в условиях переменной температуры и влажности. Кроме того, результаты данного исследования расширяют спектр использования возможных видов шпона и древесных пород. Учет и применение данных рекомендаций позволит получить экономический эффект за счет использования в производстве древесных пород, обладающих высокой способностью запоминать временную форму и имеющих более низкую стоимость.

На основе полученных экспериментально-теоретических результатов была разработана экспресс методика для ЗАО «Коралл» (г. Пушкино, Московская область) (ПРИЛОЖЕНИЕ В) по оценке способности древесной породы запоминать временную форму: 1. Эксперименты проводятся на образцах шпона, что позволяет визуализировать способность древесной породы воспринимать временную форму. 2. Согласно предложенным методике ( 3.2) и способу ( 5.2) проводится определение показателей эффекта памяти формы древесины. 3. Сравнительный анализ для выбора необходимых в производстве древесных пород. Данный метод снижает трудоемкость процесса за счет использования малых образцов простой формы. На рисунке 5.4 представлен сравнительный анализ показателей для выбора древесных пород.