Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЕЕ СУШКИ

Макартичян С В, Шилин А Н, Стрижиченко А В,

3.2. Дефекты сушки древесины

В зависимости от условий использования древесины цель сушки и требования к отдельным свойствам высушиваемой древесины различны: при массовой сушке пиломатериалов на лесопильных заводах это предотвращение последующего биологического разрушения древесины и уменьшение транспортных нагрузок при доставке потребителю; для строительства и деревообработки, кроме того, предотвращение последующей деформации и преждевременного износа различных устройств и изделий из неё, а также улучшение её физико-механических свойств; в мебельном производстве, кроме указанного, придание ряда положительных технологических свойств; в специальных производствах (фанерном, спичечном, древесных плит) – придание материалу дополнительных свойств в соответствии с требованиями технологических процессов этих производств; в музыкальной промышленности, кроме всего перечисленного, достижение быстрого «старения» (стабилизации) древесины.

Во всех случаях цель сушки – превращение древесины из природного сырья в промышленный материал с коренным улучшением при этом её биологических, физико-технических, технологических и потребительских свойств. В результате сушки должен получаться облагороженный материал, более качественный и ценный, отвечающий многообразным высоким требованиям, предъявляемых к нему в различных производственных и бытовых условиях.

Хозяйственное значение сушки древесины велико. Существенный недостаток непросушенной или недосушенной древесины – её последующая дополнительная усадка в перпендикулярном направлении к длине волокон, что приводит к возникновению неплотностей в сопряжениях деталей, их покоробленности в различных направлениях, растрескиванию и т.д. Вследствие этого изделие в короткий срок после изготовления резко снижает свои качественные показатели или совершенно приходит в негодность. Следовательно, повышенное содержание влаги в древесине при выработке из неё продукции недопустимо: продукция будет низкокачественной, с малым ресурсом службы. Например, мебель, изготовленная из недосушенной древесины, приходит в негодность за 2–4 года; аналогичная мебель, изготовленная из хорошо высушенного материала, служит 20–40 лет и более [71]. Качественная сушка предотвращает ущерб в промышленности, позволяет обойтись меньшим количеством предприятий, сырья, рабочей силы и т.п.

Неправильный процесс сушки приводит также к значительным убыткам из-за возникновения напряжений, коробления и трещин в материале.

Древесина относится к материалам, размеры которых меняются при изменении влажности. При снижении влажности наблюдается уменьшение линейных размеров и объёма древесины. Это явление называется усушкой. Она имеет место лишь при уменьшении количества связанной влаги и начинается для сырой древесины от предела насыщения. Усушка прекращается при достижении древесиной абсолютно сухого состояния. Чем больше клеточных стенок в единице объема древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка. Изменение содержания в древесине свободной влаги не вызывает изменения её размеров.

Увеличение линейных размеров и объёма при повышении влажности называется разбуханием. Разбухание происходит при повышении влажности от 0 до Wпн.

Явления усушки и разбухания объясняются следующим. Поглощение древесиной влаги вызывает утолщение прослоек влаги между микрофибриллами и, следовательно, увеличение размеров клеточных стенок, т.е. приводит к разбуханию. Обратный процесс – удаление связанной влаги – вызывает усушку.

Принято различать абсолютную и относительную усушку. Абсолютная усушка – это изменение размеров сортимента в единицах длины или объёма. Относительная усушка определяется, как отношение абсолютной усушки к размеру сортимента в сыром состоянии и исчисляется в процентах.

Величина усушки зависит от структурного направления, диапазона изменения влажности и породы древесины. Влияние структурного направления на усушку связано с особенностями строения древесины. При удалении связанной влаги наиболее значительно изменяются размеры в поперечном направлении и несущественно – в продольном (вдоль волокон).

Усушка пропорциональна изменению влажности древесины. Она не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5–2 раза больше, чем в радиальном [83]. Под полной, или максимальной усушкой βmax понимают уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении всего количества связанной воды. Усушка древесины учитывается при распиловке бревен на доски (припуски на усадку), при сушке пиломатериалов и т.д.

Внутренние напряжения возникают в древесине без участия внешних нагрузок. Они образуются в результате неодинаковых изменений объема тела при сушке – сушильные напряжения, пропитке и в процессе роста дерева [92]. Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В материале из-за поверхностного натяжения влаги в капиллярах и микроменисках возникают растягивающие напряжения. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения в отличие от влажностных не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после ее полного завершения.

Схема развития напряжений в процессе сушки представлена на рис. 3.2. На рис. 3.2, а показаны кривые распределения влажности по толщине для наиболее характерных моментов процесса сушки: 1 – момент, когда влажность поверхностного слоя опустилась ниже влажности предела насыщения волокон Wпн, а внутри сортимента ещё содержится свободная влага; 2 – момент времени, когда влажность по всему сечению стала ниже Wпн, но ещё наблюдается некоторая неравномерность влажности; 3 – момент окончания процесса, когда влажность по всему сечению стала приблизительно одинаковой, близкой к устойчивой влажности Wу.

В начальный период сушки до достижения влажности предела насыщения волокон Wпн усушка не наблюдается. Когда влажность поверхностных слоев опустится ниже Wпн, они будут стремиться к усушке. Выявить начавшуюся усушку можно, вырезав из сортимента секцию и разделив её на ряд слоев по толщине (рис. 3.2, б).

Рис. 3.2. Развитие напряжений в процессе сушки

Внутренние слои сохраняют первоначальный размер по ширине b0, а поверхностные приобретают усадку Уп и в свободном состоянии приобретают отвечающий фактической влажности номинальный размер bн. Неразрезанный же образец имеет действительную ширину bд, меньшую, чем b0, и большую, чем bн. Таким образом, в момент 1 поверхностные слои испытывают растягивающие напряжения, а внутренние слои – сжимающие напряжения. На некотором промежуточном этапе процесса (момент 2, рис. 3.2, в), а затем, к концу сушки, возрастают, изменив знак. Причина этого – развитие остаточных деформаций. В результате в конце этого процесса (момент 3) усадка на поверхности Уп окажется меньше, чем усадка в центральных слоях сортимента Уц (рис. 3.2, г).

Избежать возникновения внутренних напряжений в процессе сушки невозможно, но необходимо такое проведение режима, когда возникающие напряжения не превышают предела прочности на растяжение поперек волокон. Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, произойдет разрушение материала (разрыв клеточных стенок), проявляющееся в виде растрескивания в зоне действия растягивающих напряжений.

Значения предела прочности на растяжение поперек волокон и модуля упругости в зависимости от ориентации волокон древесины получены исследователями в [53].