автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Диэлектрические свойства древесины мореного дуба

р V Б > 2 3 НОЯ

на правах рукописи

Даншлещко Александр Юрьевич с ^ "

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ МОРЕНОГО ДУБА

05.21.05 - Технология и оборудование дерепообрабатывающих производств, древесиковеде пне

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж -1998

Работа выполнена в Воронежской государственной лесотехнической акаде-

Официальные оппоненты - доктор технических наук В.П. Белокуров

- кандидат физико-математических наук, доцент В.А. Белоглазов

Ведущая организация — Научно-исследовательский институт лесной генетики и селекции

Защита диссертации состоится 24 декабря 1998 г. в Ш..:часов на заседании диссертационного совета Д 064.06.01 в Воронежской государственной лесотехнической академии/394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева 8, зам заседания-ауд. 118/.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

ми и /ВГЛТА/.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

АЛ. Гутман

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Т.К. Курьянова

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

^ —. В.К.Курьянов

'ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Благодаря красивой текстуре, окраске и достаточно высоким физико-механическим свойствам, древесша мореного дуба является очень ценным декоративным и поделочным материалом.

Свойства древесины дуба мореного изучены .недостаточно, их знание необходимо для разработки рациональных режимом обработки. Сушка же этой древесины является наиболее сложным технологическим этапом. Для осуществления высококачественной сушки в СВЧ-поие необходимо знание диэлектрических свойств древесины, однако, этих данных нет

Поэтому необходимо определить диэлектрические свойства древесины дуба мореного и у становить степень отличия их свойств от натуральной древесины дуба с учетом условий морения. На основе этого представляется возможным разработать математические модели изменений диэлектрических, параметров (¿г'и /#<?) древесины мореного дуба пригодных для различных условий морения. Поэтому исследование свойств древесины мореного дуба является весьма актуальной задачей, и позволит более рационально использовать эту древесину в деревообрабатывающей промышленности.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является исследование диэлектрических свойств древесины мореного .чуба с учетом влияния факторов морения.

В соответствии с этой целью необходимо решить, следующие задачи:

1. Обосновать и создать физические и математические модели диэлектрических параметров древесины мореного дуба.

2. Определить изменении в кристаллической фазе древесинного вещества мореного дуба методом сравнительного реитгенострукгуриого анализа.

3. Определит]:» степень влиянш: различных факторов на изменение некоторых свойств древесины луба в [цюцессс морения методом сравнительного химического анализа.

4. Провести экспериментачьные исследования диэлектрических параметров древесины мореного дуба.

5. Выдать рекомендации по СВЧ-сушке в осциллирующем режиме древесины мореного дуба. Осуществить опытную сушку и оценить качество высушиваемых пиломатериалов.

Научная новтна. Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту и имеющие научную новизну, заключаются в следующем:

проведенная оценка кристаллической фазы древесины отличается тем, что позволила установить большую кристалличность мореного дуба по сравнению с натуральным; а также установить наличие кристаллической фазы у-Ре20з, определить размеры кристаллов и их ориентацию относительно макромолекулы целлюлозы;

результаты сравнительного химического анализа древесины мореного и натурального дуба отличаются тем, что на их основе дана количественная оценка содержания оксида железа в древесине натурального дуба и мореного

дуба с различной степенью окраски и установлено, что содержание оксида железа (Fe203) в минеральной части древесины мореного дуба не является закономерным показателем интенсивности ее окраски; установлены факторы, влияющие на цвет и степень окраски;

проведенная оценка различий диэлектрических свойств мореной и натуральной древесины дуба отличается тем, что позволила выявить и оценить различия диэлектрических свойств мореной и натуральной древесины дуба; установлено, что значения е'и tgôмореной древесины выше, чем натуральной;

построенные математические модели диэлектрических параметров древесины мореного дуба отличаются от существующих моделей для натуральной древесины тем, что учитывают влияние изменений в древесине, произошедших в процессе морения;

предложенный режим сушки древесины мореного дуба в СВЧ-поле отличается малой продолжительностью процесса сушки и высоким качеством высушенных пиломатериалов.

Практическая значимость работы заключается в следующем: математические модели диэлектрических свойств древесины; мореного дуба позволяют достаточно просто определять диэлектрические параметры этой древесины в зависимости от ее плотности и влажности, что может быть использовано для разработки и корректировки режимов СВЧ-сушки.

предложенный режим СВЧ-сушки позволяет высушивать пиломатериалы из древесины мореного дуба в короткие сроки с высокими показателями качества.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации отражены в научных отчетах кафедры древесиноведения ВГЛТА за 1995-1998 гг.; докладывались и обсуждались на II Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины - 96» в МГУЛ; на заседании Регионального координационного совета по современным проблемам древесиноведения в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии в 1997 г.; на ежегодных научно-технических конференциях студентов и преподавателей в ВГЛТА с 1995 по 1998 гг.

Реализация результатов работы. Режим СВЧ-сушки пиломатериалов из древесины мореного дуба в промышленной СВЧ-печи внедрен на частном предприятии Михайлова С.А. (свидетельство № 13172).

Результаты исследований внедрены для использования в учебном процессе и НИР на кафедре древесиноведения ВГЛТА.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 71 наименование и 2 приложения. Объем работы 155 страниц машинописного текста с 23 табл. и 69 рис., в том числе 17 страниц приложений. Приложения включают 2 акта внедрения и другие материалы по теме диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ BSJL&ÊaSiîïïiLJiaHO обоснование актуальности диссертационной работы, определена цель исследовании, изложена научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения выносимые на защиту.

В первой ш»е проведен обзор и анализ существующих литературных данных о древесине мореного дуба.

Эта древесина отличается от натуральной древесины дуба но структуре, химическому составу и физико-механическим свойствам. На изменение свойств древесины мореного дуба оказывает влияние множество факторов, таких как район затопления, продолжи тельность пребывания в воде, глубина залегания, химический состав и другие характеристики водной среды и донного грунта.

Сравнение физико-механичеси-ьч свойств древесины мореного дуба из различных районов со средними свойствами современной древесины дуба по; казало, что влажностная деформация мореного дуба в 1,5 раза больше. Поэтом)' сушка мореного дуба является наиболее сложным этапом в обработке этой древесины.

Из применяемых способов сушки пиломатериапов предпочтение отдано сушке в СВЧ-поле. Для разработки рациональных режимов СВЧ-сушки необходимо знание диэлектрических свойств высуши лаемого материала, однако диэлектрические свойства мореного дуба не изучены. В связи с этим определены цель и задачи исследований.

Во второй главе рассматризется взаимодействие электромагнитного поля с древесиной и основные показатели диэлеюрических свойств древесины.

Нагрев древесины вызван диэлектрическими потерши, которые возникают при повороте дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Эффект поляризации созда лся за счет ориентации дипольных молекул, находящихся в хаотическом; тепловом движении.

Удельные диэлектрические потери, то есть мэшноегь, выделяемая в 1 м3 древесины (Вт/м') иод воздействием электрического поля, выражаются формулой

N = 5.5 5 ■ 1СГ " fs'lgSE1, (1)

где/- частота электромагнитного поля, Гц; ё - относительная диэлектрическая проницаемость; tgS - тангенс угла диэлектрических потерь; Е- напряженность электрического поля:, В/м.

Подводимая удельная мощность идет на нагрев влажной древесины или на испарение влаги.

Комплексная диэлектрическая проницаемость s* определяется по формуле:

£* = £' -i£" = £' (I -i-tgS) (2)

где екоэффициент потерь; tgS = — ; / = V--1.

в'и ^¿являются основными диэлектрическими параметрами древесины и зависят от природы, плотности, влажности, температуры древесины, частоты поля и его ориентации относительно направления волокон древесины.

Предполагается что древесина это физическая композиция (смесь) нескольких компонентов. Абсолютно сухая древесина может рассматриваться как составляющая двух компонентов: древесинного вещества и воздуха. Во влажной древесине, при влажности ниже предела насыщения клеточных стенок, добавляется третий компонент - связанная вода. При уровне влажности выше предела насыщения, четвертый компонент - свободная вода. При отрицательных температурах место свободной воды и части связанной воды занимает лед. Поэтому влажная древесина должна, рассматриваться как смесь этих компонентов.

Согласно современным литературным данным за 1990 - 1997 гг., для оценки диэлектрических свойств смеси используется модель:

ет=Ухе\'к+У^к, (3)

где £ - комплексная диэлектрическая проницаемость смеси, С] и е2 -комплексные диэлектрические проницаемости компонентов смеси, V/ нУ2 -объемные доли компонентов ; к - показатель, который изменяется от 0 до 1 и определяется экспериментально или из теоретических предпосылок.

Степень влияния каждого компонента на диэлектрические свойства смеси зависит от его объемной доли в общем объеме смеси.

Эта модель действительна для вещественной части е. Установлено, чго имеется зависимость между вещественной и мнимой частями комплексной диэлектрической проницаемости от объемной плотности:

е' = ар2 + Ьр + 1 ; (4)

е" = ср-+с!р, (5)

где р - относительная плотность воздушно-частичной смеси; а, Ь, с, ё - коэффициенты для данного материала; е- относительная диэлектрическая проницаемость материала; е"- фактор потерь (для воздуха при р=0, £'-1, е"=0).

При анализе диэлектрических свойств древесины мореного дуба необходимо учитывать изменения, которые претерпела древесина в процессе морения. К ним относятся: наличие оксида железа (Ре203), изменение в древесинном веществе процентного соотношения целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина и других веществ. Диэлектрические параметры древесинного вещества в большей степени определяются диэлектрическими свойствами целлюлозы, так как целлюлоза имеет наибольшие значения с'я tgS.

Из-за различия условий морения древесины и сложности расчета диэлектрических параметров древесинного вещества мореного дуба как смешанного диэлектрика необходимо разработать модель, которая была бы общей для древесины мореного дуба, и учитывала изменения его свойств при различных условиях морения.

В третьей главе приводится описание общих экспериментальных иссле дований, направленных на более детальное изучение древесины мореного дуб;

и выявления причин, вызвавших в нем отличия от натуральной древесины, а также экспериментов по определению основных до-электрических параметров древесины мореного дуба.

В задачи 'экспериментальных исследований входило изучение свойств древесины мореного дуба, а именно влияния морения на структуру древесины дуба, с этой целью были проведены:

сравнительный рентгеноструктурный анализ кристаллической фазы в древесине дуба мореного и натурального;

сравнительный рентгеноспектральный анализ мореной и натуральной древесины;

дифрактометрические исследования минеральной части древесины мореного дуба;

сравнительный химический анализ древесины мореного и натурального

дуба;

определение степени отличия диэлектри чески * свойств древесины мореного дуба от нату рального. Измерения диэлектрических свойств древесины мореного дуба.

Гентгеноструктурн ый анализ.

Установлено наличие кристаллической фазы гидротированного железа у-РегОуНгО в древесине мореного дуба-

Размер кристаллов в среднем составляет »1 мш. Обнаружено небольшое количество кристаллов размером более 10 мкм. Ориентационная зависимость кристаллов гидроксида железа относигелыю молекул целлюлозы слабая.

Установлено, что древесинное вещество моргного дуба имеет большую кристалличность по сравнению с натуральным. Еюльшая кристалличность древесины мореного дуба обусловлена увеличением дели целлюлозы и уменьшением доли аморфной части в'составе древесинного Еещества, а также наличием металлических включений в древесин?.

Дифрактометричесхпе исследования проводились с использованием ди-фрактомегра ДРОН-2. Для получения рентгенофамм была использована камера РКСО.

Установлено, что в составе древесины мореного дуба присутствует железо и магний. В составе древесины дуба натурального - железо, но в гораздо меньшем количестве.

С помощью фазового анализа минеральной части древесины мореного дуба установлено наличке следующих кристаллических фаз: СаО, Са2ре20^, и

Рентгеноспекральный анализ проведен с использованием прибора У11А-30 и ДРОН-2.

Данные о химическом составе минеральной части древесины мореного дуба полученные на дифракционном спектрометре ДФС подтвердили результа-

ты дифрактометрических исследований. Установлено, что основными компонентами минеральной части древесины мореного дуба являются Ре, Са, М^.

Химический анализ

Как известно, древесина мореного дуба окрашена от светло-коричневого до черного цвета. Окраска этой древесины является важнейшим декоративным фактором. Считается, что степень ее интенсивности служит косвенным показателем продолжительности пребывания древесины в воде и содержания в древесине оксида железа (Ре2СЬ).

Для того, чтобы подтвердить или опровергнуть указанную зависимость для древесины мореного дуба, добытого в Воронежской области, был проведен химический анализ. С его помощью требовалось:

- дать количественную оценку содержания оксида железа в древесине и золе мореного дуба;

- определить влияние количества оксида железа на окраску древесины;

- провести анализ химических реакций, протекающих в древесине дуба в процессе морения.

Количество КсгО^ определялось по стандартной методике фотоколориметрическим способом с использованием фотоколориметра КФК. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1.

_Результаты химического анализа__

Древесина, цвет, место добычи Влажность % Зольность % Процент РегОд на воздушно сухое вещество % Процент Ре20з в золе, %

Дуб натуральный, светло-коричневый 8 - 7-10"4 -

Дуб мореный, темно-коричневый, р. Воронеж, черта города 9,2 0,67 и-ю-3 0,1618

черный, р. Воронеж, черта города 10 1,02 3,1-ю-5 0,3051

серовато-черный, р. Воронеж, Рамонский район 8,4 0,47 2,5-10-5 0,5259

светло-коричневый, р. Битюг 8,7 0,78 2,7-Ю-3 0,3391

Анализируя данные таблицы 1 следует отметить, что содержание оксида железа (РегОз) в минеральной части древесины не является закономерным показателем интенсивности ее окраски. Так в золе светло-коричневого образце древесины мореного дуба из реки Битюг РсзО, больше, чем в золе черного образца из реки Воронеж.

Зольность древесины также изменяется независимо от количества Ре203. Зольность светло-коричневого образца выше, чем геровато-черного и темно-коричневого.

Дубильные вещества (танншш), находящиеся в древесине, вступают в реакцию с солями железа, растворенными в воде. При этом таннииы легко окрашиваются, поэтому необходимо более детально рассмотреть процесс этого взаимодействия. Находящиеся в древесине дубильные вещества можно разделить на две группы:

дубильные вещества, которые имеют характер сложных эфиров и распадаются при гидролизе; обычно они являются производными галловой кислоты;

конденсированные дубильные вещества, у которых бензольные ядра связаны через атомы углерода и которые не являются сложными эфирами.

На воздухе, а особенно быстро в щелочном растворе, галловая кислота темнеет вследствие окисления. При действии хлорного железа из растворов галловой кислоты зыладает синевато-черный осадок.

Процесс окраски начинается на Гранине раздела двух сред: воды и древесины. Здесь процесс замедляется за счет содержания протонов водорода (Н) кислой среды. Водород препятствует окислению комплекса галловая кислота -железо.

Так как дубильные вещества древесины взаимодействуют с ионами железа речной воды, было определено наличие экстрактивных веществ в древесине дуба мореного по сравнению с древесиной дуба натурального.

В результате процент растворимых веществ от массы навески составил у древесины дуба мореного темного - 6 %, у темно-коричневого - 8 %, у древесины ду ба натурального - 11 %.

Следует отметить, что водная тытяжка экстрактивных веществ от древесины дуба мореного имела более светлую окраску, особенно у темного образна, чем от дуба натурального. Это свидетельствует о том., что в процессе взаимодействия экстрактивных веществ древесины с ионами железа воды, таннииы исчезли.

Так как тапыии находится внутри полости клетки и на срединной пластинке, присутствие цепей целлюлозы делает благоприятным течение химического процесса взаимодействия галловой кислоты с молекулами целлюлозы, и после окисления закисной соли железа (Ре21") происходит образование синевато-черной комплексной соли окисного железа и галле вой кислоты. В результате чего можно наблюдать углубление зоны цветовой окраски от периферии к центру, чем и объясняется неравномерная окраска древеенны дуба мореного (наибольшая интенсивность на периферии по сравнению с центром).

Зона окрашивания и ее интенсивность во многом зависят от динамики процесса (температуры), кислотности среды, давления, продолжительности взаимодействия (промежуток времени) и количества таннинов в древесине.

Кроме эфиров галловой кислоты в ташшках присутствует группа химических соединений - флавоны, которые являются родоначальниками желтых и коричневых красяших веществ.

Присутствие соединений галловой кислоты - флавонов, их концентрацш во многом определяет различия наблюдаемых цветовых оттенков древесины Окраска может переходить от синевато-чериой до темнокоричневой.

При наличии сильнокислой среды воды, богатой содержанием npoToitoi H, вследствие каких либо геологических и других факторов, флованол претерпевает изменение, что сопровождается фиолетовой флуоресценцией и более интенсивным окрашиванием древесины в темный цвет .

Этим, видимо, можно объяснить несоответствие процентного содержа ния Fe203 интенсивности окраски мореного дуба (таблица 1).

Очевидно, более темный цвет зависит не только от содержания Fe20^ не и от изменений, происходящих в химических соединениях - флавонах.

В илистых средах прюисходит процесс гниения растительных веществ i выделением сероводорода (112S), в связи с чем концентрация кислорода резке понижена. Кроме того, присутствие ионов серы (S2 ) может приводить к обра зованию сульфидного соединения железа (FeS) с окраской коричневого цвета.

Этим объясняется светло-коричневый цвет древесины мореного дуба и; реки Битюг, добытой из илистых береговых наносов, что способствовало обра зованию сульфида железа.

Площадь, занимаемая одним звеном макромолекулы целлюлозы ж сравнению с комплексом галловая кислота - железо мала. Учитывая, что вс внутренних пространствах материала присутствует большое даЕшение, обусловленное давлением воды и материала в целом, создаются условия для про цесса кристаллизации ионов железа, что и обуславливает наличие как поли-так и монокристаллов оксида железа. Последнее подтверждено рентгенострук-турным анализом.

В процессе осаждения иона железа большую роль играет галловая кислота которая являясь сильным окислителем, восстанавливает оксид железа дс молекулярного состояния.

Диэлектрические свойства

Проведенные экспериментальные исследования диэлектрических пара метров древесины мореного дуба позволили установить, что значения s' и igc мореной древесины выше, чем натуральной (рис. 1, 2). При влажности 8 %, с отличается на 20, tgô на 30 %. Разница значений s'древесины мореного и натурального дуба исчезает при влажности древесины 30 %, tgô - 20 %. С увеличением плотности древесины мореного дуба увеличиваются значения ее диэлектрических параметров е'п tgô.

Уменьшение розницы диэлектрических параметров с увеличением влажности объясняется тем, что диэлектрические параметры воды намного выше чем древесины. Увеличение объемной доли воды делает ее основным компонентом, определяющим диэлектрические свойства влажной древесины. Следовательно, необходимо создать модели диэлектрических параметров только дл> того влажностного диапазона, в котором значения е' и tgô древесины мореной и натурального дуба будут отличаться.

£ 4,5 -

3,5 3 2,5 2

. -— -----------— О Дуб мореный (жен.) --Луб натуральный (табл.) О Дуб натуральный (ж с п.) л

- ^ И

т Я о „

р 0 о Ф «

<2—

П', %

10

15

20 25 30

Рис. 1 Диэлектрическая проницаемость древесины. мореного(ро~0,714 г/см') и натурального дуба(роЮ,690 г/см*) при влажности ниже 30 %., вектор напряженности электрического поля Е направлен перпендикулярно волокнам древесины.

0,5 0,4 0,3 0,2 ОД 0

/у

О Я' /О о

^ о о У

О Дуб мореный (эксп.) ---Дуб натуральный (табл.) £, Дуб натуральный (эксп.) __:-!.----

IV, %

10

15

20

25

30

Рис. 2. Тангенс угла диэлектрических потерь древесины мореного (ро=0,714 г/см*) и натурально]:« (р0=<>,690 г/см3) дуба при влажности ниже 30 %, вектор напряженности электрического поля Е направлен перпендикулярно волокнам древесины.

Для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь был использовал полноводный метод короткого замыкания, метод двух положений и метод определения диэлектрических параметров по коэффициенту отражения.

Четвертая глава посвящена разработке математических моделей д] электрических параметров древесины мореного дуба.

Диэлектрическую проницаемость смеси определяет не только значен! диэлектрической проницаемости каждого компонента. Очень важную роль и рает величина его объемной доли в этой смеси.

Выяснилось, что из-за очень малой объемной доли, оксид железа не м< существенно повлиять на диэлектрическую проницаемость мореного дуба..

Следовательно, причины изменения диэлектрических свойств морено! дуба в изменении состава его древесинного вещества.

Целлюлоза является самым устойчивым компонентом древесинно! вещества. Уменьшение процента гемицеллюлоз в элементарном объеме древ сины мореного дуба происходит без потери плотности древесины, и даже н оборот, с ее увеличением. Это нельзя объяснить только адсорбцией оксида ж леза, так как его объемная доля в общем объеме смеси очень мала.

Увеличение плотности происходит из-за большей усушки мореной дрес сины за счет уменьшения объема матрикса. При усушке древесины морено дуба макромолекулы целлюлозы, имеющей наибольшую плотность из вс компонентов древесинного вещества, располагаются ближе друг к: другу, чем натуральной древесины, в связи с чем увеличивается объемная доля целлюло: в древесинном веществе. Это приводит к повышению плотности и процен кристалличности древесины мореного дуба.

Для определения диэлектрических параметров древесины мореного ду на основе теории смешанных диэлектриков была разработана физическая м дель, учитывающая изменения состава древесины при морении.

Диэлектрическая проницаемость древесины мореного дуба как сме {£с.и) складывается из (¿^современной древесины той же плотности с объе ной долей (Уф)плюс дополнительный объем целлюлозы с ее (¿"',1 и объема-долей (V,,), полученный при морении:

4J,3 =4'\ + £ф3удр' №

Значение V,, определяется на основании экспериментальных данных.

На основе значений диэлектрических параметров е' и tgS, полученш для древесины мореного дуба экспериментально и аналитически с помоиц уравнения (6) разработаны математические модели:

e' = Ab-pa-W + Ay log/2 + Л2 ■ W2 f- А, ■ W2 ■ log/ +

з (7)

+ А, -W2 -log/2 -log/3 +A -IV2 -log/

tgs = B0-w + Brp0+B2-log/+в} ■ iv2 + (8)

+ B4-logf2 + Bs-W-logf2

Зависимости ^'древесины мореного дуба от частоты, влажности и плс ности представлены на рисунках 3,4; tgS - на рисунках 5,6.

-а- УУ==8 %

-О— \V~I4 % -i.tr- \\"==2(1 %

--(>- \у==30 %

Л Гц

1,00Е+09

1,00ЕН0

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости древесины мореного дуба (р0=0,714 г/см') от частоты, и влажности, вектор напряженности электрического поля Е направлен перпендикулярно волокнам древесины.

&

0,4 0,3 0,2 |! од о

1,00Е+О9

1,ООЕ+Ю

Рис. 4. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь древесины мореного дуба (ро= 0,"714 г/см'1) от частоты и влажности, вектор напряженности электрического ноля Е направлен перпендикулярно волокнам древесины.

6 5 4 3 2 1

(?%

0% ------ ---

4 % ' % ----- --- ——

Ро, г/'см^

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,5» 1

Рис, 5. Зависимость диэлектрической проницаемости от плотности древесины мореного дуба 1010 Гц), вектор напряженности электрического поля Е направлен перпендикулярно волокнам древесины.

0,4 0,3 0,2 0,1 О

¡g S

f) О /

W=ï 4 %

%

•

ро, r/CMJ

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рис. 6. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от плотност древесины мореного дуба (f=10'° Гц), вектор напряженности электричсско1 поля Е направлен перпендикулярно волокнам древесины.

Разработанные модели позволяют определить диэлектрические свойс вадревесины мореного дуба в диапазонах влажности от 8 до 30 % и плотное ! (ро) от 0,7 до 1,0 г/см3 в промышленном диапазоне СВЧ-частот от 109 доЮ10 П

Впоследствии эти данные могут быть использованы для разработки нл корректировки режима СВЧ-сушки пиломатериалов из древесины Mopenoi дуба.

В пятой главе описываются опыты по осуществлению СВЧ-сушки др весины мореного дуба в промышленной СВЧ-сушильной камере.

Подобран рациональный осциллирующий резким СВЧ-сушки древесин мореного дуба, позволивший высушить пиломатериал с высокими показател: ми качества.

Предложенный к практическому применению режим сушки древесин мореного дуба в СВЧ-поле отличается малой продолжительностью процес* (158 часов) и высоким качеством высушенных пиломатериалов. Величш внутренних напряжений составляет ст=1,4 Мна, при од0п=7,21 МПа; переш влажности 0,35 %, что свидетельствует о высокой категории качества сушки.

Незначительные остаточные напряжения, перепад влажности, сохран ние формоустойчивости и окраски после сушки, позволяет рекомендовать да1 ный режим в производство.

Экономический эффект от внедрения рационального режима за сч< улучшения качества высушиваемой древесины составил 17979,3 руб. на lf высушенного пиломатериала.

Влияние СВЧ-излучения при использованном уровне мощности 15 к! и продолжительности его воздействия не ухудшает физико-механические сво ства древесины.

Исследованные диэлектрические свойства древесины мореного дуба м гут быть рекомендованы для разработки режимов промышленной СВЧ-сушки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определено наличие кристаллической фазы y-FeiOvHiO в древесине м реного дуба методом сравнительного рентгеноструктурного анализа.

Установлено увеличение доли целлюлозы и уменьшение доли аморфной части в составе древесинного вещества мореног о дуба.

2. Установлено, что в составе древесины мореного дуба присутствуют железо и магний. В составе древесины дуба натуральной) только железо. Следует отметить, что в древесине мореного дуба железа значительно больше, чем в древесине дуба натурального. Исследования проведены методом рентгеноспектрально-го анализа.

Исследования фюового состава показали, что в минеральной части древесины мореного дуба присутствуют кристаллические фазы СаО, СагРеэО^. и Гу^ССЬ. Исследования проведены мето дом рентгеносгрукхурного анализа.

3. Дана количественная оценка содержания оксида железа в древесине натурального дуба и мореного дуба с различной степенью окраски методом сравнительного химического анализа. Установлено, что количество оксида железа (Ре20}) в древесине мореного дуба и в ее минеральной части не является закономерным показателем интенсивности ее окраски. Дано объяснение, как в лияют различные факторы на интенсивность окраски и ее неравномерность по сечению.

4. Установлено, что диэлектрические параметры древесины мореного дуба выше диэлектрических параметров древесины дуба натурального. Значения е' и щ§мореной и натуральной древесины дуба, при влажности 8 %., отличаются на 20 и 30 % соответственно. Разница значений ¿'древесины мореного и натурального дуба исчезает при влажности древесины 30 %, ^¿>-20 % и выше.

5. Разработана физическая модель для определения диэлектрических параметров древесины мореного дуба в частотном диапазоне 109~1010 Гц.

Математические модели позволяют определить диэлектрические свойства древесины мореного дуба независимо от условий мореная в диапазонах влажности от 8 до 30 % и плотности (ро) от 0.7 до 1,0 г/см' в диапазоне СВЧ-частот от 109 доЮ10Гц.

6. Подобран режим и проведена экспериментальная СВЧ-сушка древесины дуба мореного. Определены остаточные внутренние напряжения и прочность древесины после сушки. Установлено, что остаточные внутренние напряжения не превышают адоп , и не обнаружено снижение прочности. На основании проведенных испытаний СВЧ-су шка может быть рекомендована дли внедрения в производство, где и будут использованы данные о диэлектрических свойствах древесины дуба мореного.

6. Экономическая эффективность от внедрения рационального режима по ценам на 1.10.1998 г. составила 3 =17979,3 руб. на 1м1 высушенного пиломатериала

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ:

1. Беликов А.М., Гутман А.Л., Данилешсо АЛО., Завалишин Е.И. Сравнительные характеристики кристаллической фазы в древесине мореного и натурального дуба. / Сборник трудов II международного симпозиума «Строение, свойства и качество древесины - 96». М: МГУЛ, 1997.

2. Гутман АЛ, Даниленко А.Ю., Курьянова Т.К. Сравнительный химический анализ древесины мореного и натурального дуба. / Сборник трудов II между-

народного симпозиума «Строение, свойства и качество древесины - 96». V МГУЛ, 1997.

3. Гутман А.Л., Даниленко А.Ю., Саушкин В.В. Диэлектрические свойст] мореного дуба. / Сборник трудов II международного симпозиума «Строение, сво ства и качество древесины - 96». М.: МГУЛ, 1997.

4. Бомбин А.М., Даниленко А.Ю., Мохроусов А.Н., Недорезова Е.В. И следование режимов СВЧ-сушки мореного дуба. / Сборник научных трудов «М тематическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметр« оборудования и систем управления лесного комплекса». Воронеж: ВГЛГА, 1997.

5. Вариводина И.Н., Даниленко А.Ю., Курьянова Т.К. Исследование н пряжешюго состояния древесины дуба мореного, высушенного е; СВЧ-поле. Сборник научш>гх трудов «Математическое моделирование, компьютерная опт мизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного ш плекса». Воронеж: ВГЛ ТА. 1997.

6. Даниленко А.Ю., Курьянова Т.К, Попов В.В. Химические реакции, ир текающие в древесшю дуба в процессе морения. / Сборник научных трудов < М тематическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, парамегр' оборудования и систем управления лесного комплекса». Воронеж: ВГЛТА, 1998.

7. Гутман А.Л, Владимиров Г.О., Даниленко АЛО, Завалишин Е.И. Опр деление состава примесей в. минеральной части древесины мореного дуба. / Сбо ник научных трудов «Математическое моделирование, компьютерная оптимиз ция технологий, параметров оборудования и систем управления лесного компле са». Воронеж: ВГЛТА, 1998.

8. Даниленко А.Ю., Оценка влияния СВЧ-сушки на физико-механичеек свойства древесины мореного дуба. / Сборник научных трудов «Математическ моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудот ния и систем управления лесного комплекса». Воронеж: ВГЛТА, 1998.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 064.06.01 и прислать ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписи? по адресу: 394613, Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная 1 сотехническая академия.

Даннленко Александр Юрьевич ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ МОРЕНОГО ДУБА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати Заказ № .

УОП ВГЛТА 394613, Воронеж, ул.

Тираж 100 экз. Обьем 1 уч.-изд. л. Тимирязева, 8.

5~/

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

ДАНИЛЕНКО АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ МОРЕНОГО ДУБА

05.21.05 - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведение

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Гутман^А.Л.

У Научный консультант -кандидат технических наук, доцент Курьянова Т.К.

Воронеж 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................5

Глава 1. Состояние изученности темы................................................8

1.1. Химические свойства древесины мореного дуба.......................8

1.2. Физико-механические свойства древесины мореного дуба..........11

1.3. Добыча и хранение мореного дуба .......................................17

1.4. Способы сушки мореного дуба............................................18

1.5. Внутренние напряжения в древесине при сушке.......................21

1.6. Диэлектрические свойства древесины...................................30

1.7. Выводы.........................................................................34

1.8. Цель и задачи исследований...............................................35

Глава 2. Состав древесины и модели ее диэлектрических параметров.........37

2.1. Взаимодействие электромагнитного поля с древесиной и основные показатели диэлектрических свойств древесины.............................37

2.2. Диэлектрические параметры древесины..................................43

2.3. Физическая модель древесины как многокомпонентного диэлектрика...........................................................................46

2.4. Линейная зависимость функции диэлектрических свойств..........49

2.5. Диэлектрические параметры древесинного вещества и его компонентов..........................................................................54

2.6. Выводы..........................................................................59

Глава 3. Исследование свойств древесины мореного дуба.......................61

3.1. Влияние морения на структуру древесины дуба........................62

3.1.1. Сравнительный анализ кристаллической фазы в древесине дуба мореного и натурального. Методы анализа...................................62

3.1.2. Сравнительный рентгеноструктурный анализ кристаллической фазы в древесине дуба мореного и натурального............................66

3.1.3. Определение состава примесей в древесине мореного дуба......70

3.2. Сравнительный химический анализ древесины мореного и натурального дуба..................................................................72

3.3. Диэлектрические свойства древесины мореного дуба...............77

3.3.1. Методы измерения диэлектрических параметров древесины....77

3.3.2. Волноводный метод короткого замыкания...........................78

3.3.3. Метод двух положений....................................................85

3.3.4. Определение диэлектрических параметров методом отражения............................................................................87

3.4. Выводы..........................................................................97

Глава 4. Математическая модель диэлектрических параметров древесины

мореного дуба....................................................................99

4.1. Теоретические предпосылки построения модели диэлектрических параметров древесины мореного дуба.........................................99

4.2. Построение физической модели диэлектрической проницаемости древесины мореного дуба.......................................................101

4.3. Построение математической модели диэлектрических параметров древесины мореного дуба........................................................104

4.4. Выводы.........................................................................112

Глава 5. Сушка древесины мореного дуба в промышленной СВЧ-сушильной камере.............................................................................114

5.1. Апробация режимов СВЧ-сушки пиломатериалов из древесины мореного дуба. Результаты эксперимента....................................114

5.2. Оценка качества СВЧ-сушки пиломатериалов из древесины мореного дуба.....................................................................120

5.3. Расчет экономического эффекта от внедрения предложенного

режима сушки.......................................................................124

5.4. Влияние облучения СВЧ-энергией на прочность древесины......125

5.4. Выводы.........................................................................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................128

ЛИТЕРАТУРА......................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..................................................................150

Введение

При размывании берегов рек, при сплаве, намеренном затоплении и по другим причинам стволы деревьев оказываются на дне водоемов. Контакт древесины с речной водой и донным грунтом, исчисляющийся десятками и сотнями лет, изменяет древесину. Последствия влияния водной среды выражаются в изменении строения клеточных стенок древесины и ее внешнего вида. В практике такой процесс называют морением.

Среди множества пород, оказавшихся на дне водоемов, особое место занимает дуб. Его древесина окрашена от светло коричневого до черного цвета. Измененная окраска мореного дуба является важнейшим декоративным фактором. Считается, что степень ее интенсивности служит косвенным показателем продолжительности пребывания древесины в воде [38].

Последнее время производители продукции из древесины проявляют к мореному дубу определенный интерес. Благодаря красивой окраске и текстуре, а также при сохранении высоких технических свойств, древесина мореного дуба является оригинальным декоративным материалом. Эта древесина может найти широкое применение в промышленности для изготовления дорогой мебели, декора, паркета, музыкальных инструментов, сувенирных изделий, а

также для отделки салонов, кают пароходов и так далее.

(

Запасы мореного дуба определялись на территории Мордовии, Ярославской области, в реках Мокше, Суре, Сакмаре, Черемшане, Мологе, Сож и в реках Московско-Волжско-Окского бассейна [38].

Из отчета лаборатории "Сенеж" [38] получены сведения, что на реке Мокше и ее притоках по состоянию на 1911-1912 годы запасы мореного дуба составляли до 2500 стволов, объемом до 2 м3 на километр реки. В целом по ре-ке определен запас 3350 тыс. м"\ По другим сведениям запасы на этой реке скромнее. Они оцениваются в 600 м3 на километр реки, что в целом составляет около 18 тыс. м3.

По данным С.И. Ванина [8], по состоянию на 1940 год, количество дубовых стволов, находимых в реках Ленинградской области доходило до 2000.

Имеются также сведения о достаточно больших запасах мореного дуба в реках Воронежской области. Только на территории Рамонского района в настоящее время добытчики оценивают запас в 1500 м3.

Сведения о значительных запасах древесины мореного дуба обуславливают необходимость исследования ее свойств для более рационального использования этой древесины в промышленности.

Свойства древесины дуба мореного изучены недостаточно, их знание необходимо для разработки рациональных режимов обработки. Сушка же этой древесины является наиболее сложным технологическим этапом. Для осуществления высококачественной сушки в СВЧ-поле необходимо знание диэлектрических свойств древесины, однако, этих данных нет.

Поэтому необходимо определить диэлектрические свойства древесины дуба мореного и установить степень отличия их свойств от натуральной древесины дуба с учетом условий морения. На основе этого представляется возможным разработать математические модели изменений диэлектрических параметров (е' и tgS) древесины мореного дуба пригодных для различных условий морения. Поэтому исследование свойств древесины мореного дуба является весьма актуальной задачей, и позволит более рационально использовать эту древесину в деревообрабатывающей промышленности.

Целью данной работы является исследование диэлектрических свойств древесины мореного дуба с учетом влияния факторов морения.

Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту и имеющие научную новизну, заключаются в следующем:

проведенная оценка кристаллической фазы древесины отличается тем, что позволила установить большую кристалличность мореного дуба по сравнению с натуральным; а также установить наличие кристаллической фазы у-

Ре203, определить размеры кристаллов и их ориентацию относительно макромолекулы целлюлозы.

результаты сравнительного химического анализа древесины мореного и натурального дуба отличаются тем, что на их основе дана количественная оценка содержания оксида железа в древесине натурального дуба и мореного дуба с различной степенью окраски и установлено, что содержание оксида железа (Ре203) в минеральной части древесины мореного дуба не является закономерным показателем интенсивности ее окраски; установлены факторы, влияющие на цвет и степень окраски.

, проведенная оценка диэлектрических параметров мореной древесины отличается тем, что позволила установить различия диэлектрических свойств мореной и натуральной древесины дуба;

построенные математические модели диэлектрических параметров древесины мореного дуба отличаются от существующих моделей для натуральной древесины тем, что учитывают влияние изменений в древесине, произошедших в процессе морения.

предложенный режим сушки древесины мореного дуба в СВЧ-поле отличается малой продолжительностью процесса сушки и высоким качеством высушенных пиломатериалов.

Практическая значимость работы заключается в следующем: математические модели диэлектрических свойств древесины мореного дуба позволяют достаточно просто определять диэлектрические параметры этой древесины в зависимости от ее плотности и влажности, что может быть использовано для разработки и корректировки режимов СВЧ-сушки.

предложенный режим СВЧ-сушки позволяет высушивать пиломатериалы из древесины мореного дуба в короткие сроки с высокими показателями качества.

Глава 1. Состояние изученности темы 1.1. Химические свойства древесины мореного дуба

Вопросами, связанными с изучением свойств мореного дуба занимались с 1920 года [8, 21, 27, 36, 49, 50, 52, 59, 63].

Микроскопическое исследование, проведенное в ЛЛТА [8] на образцах из реки Сож и Волжско-Окского бассейна показало, что за исключением окраски стенок и наличия пигмента, микроскопическое строение древесины мореного дуба не отличается от микростроения нормальной древесины дуба. Микроскопическое исследование клеточных стенок показало, что в стенках волокон либриформа имеются трещины. У некоторых образцов черного цвета количество трещин довольно значительное, у остальных трещины наблюдались в небольшом количестве.

В результате длительного пребывания в воде стенки клеток в максимальной степени размягчаются. Это объясняется изменением химического состава и, в первую очередь, вымыванием легко растворимых веществ: дубильных, жиров, масел, крахмала и так далее, в результате чего накапливаются минеральные соединения, особенно много соединений оксида железа [51].

Исследование химического состава древесины мореного дуба в работе [8] главное внимание было обращено на определение зольности и количества железа в золе. Для суждения о химических изменениях, которые могли произойти в составе клеточных стенок, проведено два полных химических анализа древесины мореного дуба. Для анализа были взяты образцы из реки Сож черного и светло-коричневого цвета.

Результаты химического анализа представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Результаты химического анализа

Древесина цвет образца Зола, % Эфирная Вытяжка, % Спиртовая вытяжка, % Водная вытяжка, % Пен-тоза- ны, % Лигнин, % Целлюлоза, % Геми-цел-люло- за, % Цел. по Кизе- лю, %

Дуб мореный черный 2,47 0,7 2,42 6,52 19,36 24,72 39,36 32,54 38,51

Дуб мореный светло-коричневый 0,62 0,97 3,93 3,10 21,18 25,84 45,51 32 41,02

Дуб натуральный 0,3 - - - 28,8 23,8 38,9 - -

Результаты анализа показывают, что древесина мореного дуба по количеству целлюлозы и лигнина не отличается от натуральной древесины дуба. Однако у образца черного цвета целлюлоза обладает меньшей стойкостью, чем у светло-коричневого.

Исследование целлюлозы в древесине мореного дуба с использованием микрополяризованного микроскопа было проведено в работах [8, 59, 63].

Исследования Ловага [63], Шульца и Тедена [59] проводимые на микро срезах древесины показывают уменьшение количества целлюлозы в клеточных стенках, вызванное гниением Древесины.

В работе [8] исследовались микро срезы и отдельные волокна древесины мореного дуба. Никаких существенных изменений в целлюлозе найдено не было.

Противоречивость мнений авторов [8, 59, 63] в значительной мере объясняется различиями, определяемыми географическими районами добычи образцов. Для подтверждения тех или иных суждений об изменении в целлюлозе при морении древесины необходимо провести дополнительные исследования.

При продолжительном хранении древесины на воздухе содержание лигнина в древесине несколько уменьшается, что связано, вероятно, с его легкой

окисляемостью и некоторыми реакциями, обусловленными его ароматическим характером [52].

При старении больше всего изменяются легкогидрализуемые гемицел-люлозы. Под действием влаги и воздуха они переходят в олигосахара, растворимые в горячей воде.

Процесс морения древесины будет отличаться от ее старения на воздухе, но в обоих случаях происходит уменьшение содержания в древесине аморфных компонентов. Это может привести к изменению кристалличности древесинного вещества.

Для сравнительной оценки изменений кристалличности структуры древесинного вещества мореной и натуральной древесины представляется целесообразным провести рентгеноструктурный анализ. Подобные исследования проводились Т.П. Хухрянской [54], но только для сосны, осины и прессованной древесины, Вайнштейном [6] - для чистой целлюлозы.

Для определения зольности и количества оксида железа в золе [8] исследовались образцы мореного дуба из реки Сож и Волжско-Окского (ВО) бассейна различной окраски. Результаты химического анализа мореного дуба, а также анализ натуральной древесины представлены в таблице 1.2.

Результаты, приведенные в таблице показывают, что количество оксида железа (РегОз) в золе у образцов мореного дуба из р. Сож изменяется от 5 до 58 %, у образцов из ВО бассейна - от 5 до 68 %. Наименьшее количество оксида железа имеют светлые образцы, наибольшее - черные. Количество оксида железа у светлых образцов в 2 раза больше, чем у натуральной древесины.

Различное количество оксида железа в древесине мореного дуба из разных рек свидетельствует о влиянии на процесс морения такого фактора как химический состав водной среды.

Так как вода в реке Воронеж отличается по своему химическому составу от других рек, необходимо провести сравнительные анализы зольности и со-

держания оксида железа в мореной и натуральной древесине из конкретной

партии.

Таблица 1.2.

Результаты химического анализа древесины мореного дуба

Влаж- Количест- Количест-

ность во золы во Ре203 Количест-

Регион Цвет образца, порода образ- на массу на возд. во Ре203

цов, навески, Сух. в-во, в золе,

% % % %

р. Сож Дуб мореный

Светло-коричневый 9 0,23 0,012 5,22

Светло-коричневый 8 1,12 0,18 16,16

Коричневато-синий 9 1,58 0,31 19,62

Черный 9 1,87 0,60 32,09

Черный 9 1,34 0,78 58,21

ВО Желтый 9 0,20 0,011 5,50

бассейн Серовато-коричневый 9 0,76 0,16 21,05

Черный 9 2,32 1,58 68.10

Дуб натуральный 10 0,12 0,0027 2,25

Следует отметить, что при выполнении химического анализа [8] особое внимание было уделено определению количества железа в древесине мореного дуба. Наличие других примесей определено не было, поэтому необходимо исследовать их состав.

1.2. Физико-механические свойства древесины мореного дуба

В число показателей качества древесины входят характеристики физико-механических свойств. На изменение свойств древесины мореного дуба оказывает влияние множество факторов [49]: район затопления, продолжительность пребывания в воде, размеры отдельных стволов и их скоплений, глубина залегания, химический состав и другие характеристики водной среды и донного грунта.

При определении физико-механических свойств древесины мореного дуба их обычно сравнивают с соответствующими показателями натуральной древесины. Однако, по мнению древесиноведов МГУЛ [49] такое сравнение не достаточно корректно, так как мореный дуб может быть затоплен столь давно, что вообще нельзя найти такой натуральной древесины, поскольку она исчезла при смене растительности. Но даже если продолжительность пребывания в воде значительно меньше, все равно невозможно получить сведения о физико-механических свойствах натуральной и мореной древесины одной и той же породы, из того же места произрастания, с аналогичной макро- и микроструктурой.

Данные различных исследователей [8,36,49,52] о макроструктуре и физических свойствах мореного дуба из различных регионов, а также справочные данные [4] приведены в таблице 1.3.

Ширина годичных слоев выражена числом п ,приходящимся на 1 см ра-

диального отрезка, отмеренного на торце образца.

Таблица 1.3.

_Физические характеристики древесины дуба__

Порода, регион Цвет древесины Ширина годич. слоев п Плотность, кг/м3 Усушка, % Разбухание, % Вла-гопог-лоще-ние у» тах, %

Рб Ро Р12 Вг вг Ву Яг

Дуб мореный Калужская область серо-ко ричне-вый 6,0 563 666 697 6,2 9,45 15,1 - - - 82

Рыбинское во-дохран. темно-�