Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ НА СТАДИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СУШКИ

Старцев О.В. 1 Фролов А.С. 1 Махоньков А.Ю. 1 Ерофеев В.Т. 2 Гудожников С.С. 2 Кротов А.С. 3
1 ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ
2 ГОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»
3 ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет»
На стадии предварительной сушки определены параметры влагопереноса древесины следующих сортов: береза, дуб, клен, липа, осина, сосна, ясень. Кроме исходной древесины, в эксперименте использовались полимерные композиты (древесина с нанесенным защитным покрытием). Для модификации древесины использовались полимерные композиции на основе эпоксидной и полиэфирной смол, отвержденных полиэтиленполиамином, продуктами АФ-2, Бутанокс в сочетании с растворителями, ускорителями отверждения и биоцидным препаратом «Тефлекс Антиплесень». Результаты эксперимента показывают, что предельное влагосодержание уменьшается в присутствии покрытия. Наилучшим защитным покрытием из всех использованных вариантов является смола ЭД-20 с отвердителем АФ-2. Для всех пород деревьев, кроме березы и дуба, полимерные модификаторы увеличивают коэффициент диффузии в среднем в 1,5–2 раза. У древесины дуба коэффициент диффузии увеличивается до 1,5 раз. У березы коэффициент диффузии уменьшается до 50 % от исходного состояния.
древесина
параметры влагопереноса
полимерный модификатор
диффузия влаги
1. Махоньков А.Ю., Старцев О.В., Курс И.С., Ерофеев В.Т. Влияние влажности на молекулярную подвижность и релаксационные процессы древесины // Актуальные вопросы архитектуры и строительства: материалы двенадцатой международной научно-технической конференции. – Саранск: Изд-во Мордовского университета, 2013. – С. 224–228.
2. Мелехина М.И., Кавун Н.С., Ракитина В.П. Эпоксидныес теклопластики с улучшенной влаго- и водостойкостью // Авиационные материалы и технологии. – 2013. – № 2. – С. 29–31.
3. Николаев Е.В., Кириллов В.Н., Скирта А.А., Гращенков Д.В. Исследование закономерностей влагопереноса и разработка стандарта по определению коэффициента диффузии и предельного влагосодержания для оценки механических свойств углепластиков // Авиационные материалы и технологии. – 2013. – № 3. – С. 44–48.
4. Старцев О.В., Кротов А.С., Сенаторова О.Г., Аниховская Л.И., Антипов В.В., Гращенков Д.В. Сорбция и диффузия влаги в слоистых металлополимерных композиционных материалах типа «СИАЛ» // Материаловедение. – 2011. – № 12. – С. 38–44.
5. Старцев О.В., Кузнецов А.А., Кротов А.С., Аниховская Л.И., Сенаторова О.Г. Моделирование влагопереноса в слоистых пластиках и стеклопластиках // Физическая мезомеханика. – 2002. – т. 5, № 2. – С. 109–114.

Древесина является одним из самых востребованных материалов, использующихся при строительстве домов, внутренней отделке помещений, при изготовлении мебели, а также при производстве товаров народного потребления. Одна из специфических особенностей древесины как строительного и отделочного материала – это ее крайне выраженная подверженность к воздействию влаги [1]: набухание при увлажнении, и усыхание при сушке. Также одним из факторов, влияющих на долговечность и декоративность покрытия из натурального дерева, является разрушающее действие микроорганизмов и насекомых вредителей. Для предохранения древесины от влажности и биологического воздействия широко используются методы ее поверхностной обработки полимерными составами.. Относящиеся к их числу краски, лессирующие добавки, лаки, праймеры придают изделиям из древесины хороший декоративный вид и обеспечивают повышенную защиту изделия от факторов окружающей среды.

Одним из важнейших свойств покрытия являются его влагозащитные свойства. В качестве критериев влагозащитных свойств покрытия обычно используются такие показатели, как коэффициент диффузии влаги и предельное влагосодержание [2, 3].

Целью данной работы является оценка параметров влагопереноса полимерных композитов на основе древесины различных сортов. Были поставлены следующие задачи: рассчитать параметры влагопереноса для образцов древесины без полимерного покрытия; рассчитать параметры влагопереноса для образцов полимерных композитов с различным сочетанием древесины/покрытия; оценить влияние используемого покрытия на параметры влагопереноса.

Модель диффузии влаги

Характеристики влагопереноса в древесине удовлетворительно определяются с использованием второго закона Фика в одномерном приближении с постоянными граничными условиями [4, 5]:

star01.wmf 0 < x < l, x > 0;

star02.wmf star03.wmf

star04.wmf (1)

где c – концентрация влаги в единице объема образца; t – время; c0 – начальное значение концентрации влаги при t → 0; m0 – значение концентрации влаги на границах образца; x – координата, вдоль которой диффундирует влага; l – характерная толщина образца; D – коэффициент диффузии; M(t) – влагосодержание модельного отрезка длиной L, шириной W и толщиной h в момент времени t.

По результатам измерений массы образцов на стадии предварительной сушки предельная убыль массы и коэффициент диффузии вычислены по соотношениям

star05.wmf (2)

где nk = π(2k + 1); M0 – предельная убыль массы; C0 – начальная убыль массы; dt = Dt/l2 влажностной аналог числа Фурье, где D – коэффициент диффузии, мм2/сут.; t – время увлажнения или сушки, сут; t – время смены вида формулы, составляет около 1 сут; l – длина диффузионного пути, см.

Длина диффузионного пути для образца с номером i вычисляется по формуле:

star06.wmf (3)

где L – длина вдоль основного направления армирования образца, мм; W – ширина образца, мм; h – толщина образца, мм.

Экспериментальная часть

В проведенном исследовании определены параметры влагопереноса древесины следующих сортов: береза, дуб, клен, липа, осина, сосна, ясень. Кроме исходной древесины, в эксперименте использовались полимерные композиты (древесина с нанесенным защитным покрытием). В качестве покрытий были использованы композиции из полиэфирной смолы ПН-609-21М, эпоксидной смолы ЭД-20, ускорителя УНК-2, биоцидной присадки «Тефлекс-Антиплесень», растворителя Бутанол и отвердителей АФ-2, ПЭПА, Бутанокс (табл. 1).

Из пластин исходной и модифицированной полимерами древесины вырезались образцы одинаковой формы в виде квадратных пластин со стороной 50 мм и толщиной 1,5–2 мм. Перед началом сушки было выполнено измерение массы образцов. Затем образцы были помещены в термошкаф с постоянной температурой 60 ± 2°C, где и происходило их высушивание до стабилизации массы. В процессе высушивания периодически измерялись масса и толщина образцов.

Результаты эксперимента

На рис. 1, 2 в качестве примеров представлена кинетика десорбции влаги в композитах на основе березы и сосны с разнообразными полимерными модификаторами. Из полученных результатов видно, что предельная убыль массы достигает значений 4‒7 % в зависимости от использованного покрытия. Для этих систем по формулам (2), (3) рассчитаны значения коэффициента диффузии и предельного влагосодержания (таблица).

Результаты эксперимента показывают:

  1. Коэффициент диффузии березы в 2–4 раза больше, чем у других пород деревьев.
  2. Для всех пород деревьев, кроме березы и дуба, полимерные модификаторы увеличивают коэффициент диффузии в среднем в 1,5–2 раза. У древесины дуба коэффициент диффузии увеличивается до 1,5 раз. У березы коэффициент диффузии уменьшается до 50 % от исходного состояния.
  3. Для всех пород древесины предельное влагосодержание уменьшается в присутствии покрытия до 50–70 % от исходного. У сосны уменьшение предельного влагосодержания достигает 44 %.
  4. Наилучшая защита по предельному влагосодержанию для всех пород деревьев – смола ЭД-20 с отвердителем АФ-2. Для этого же покрытия меньше всего меняется коэффициент диффузии.
  5. Дополнительная проверка показателей влагопереноса для образцов древесины дуба с использованием компонентов ЭД-20 + АФ-2 + Бутанол и ПН-609-21М + УНК-2+Бутанокс не привели к заметному изменению М0 и D.

pic_30.tif

Рис. 1. Кинетика десорбции влаги в композитах на основе березы с различными полимерными модификаторами: 1 ‒ древесина без обработки; 2 ‒ ЭД-20+ПЭПА+Тефлекс Антиплесень; 3 ‒ ЭД-20+АФ-2; 4 – ЭД-20+ПЭПА. Точки – экспериментальные значения, линии – аппроксимация по модели (1)

pic_31.tif

Рис. 2. Кинетика десорбции влаги в композитах на основе сосны с различными полимерными модификаторами: 1 ‒ древесина без обработки; 2 ‒ ЭД-20+ПЭПА; 3 ‒ ЭД-20+ПЭПА+Тефлекс Антиплесень; 4 – ЭД-20+АФ-2. Точки – экспериментальные значения, линии – аппроксимация по модели (1)

Заключение

В работе определены характеристики влагопереноса полимерных композитов на основе древесины с разными покрытиями на стадии предварительной сушки. Результаты эксперимента показывают, что предельное влагосодержание уменьшается в присутствии покрытия. Наилучшим защитным покрытием из всех использованных вариантов является смола ЭД-20 с отвердителем АФ-2. Установлено, что для всех пород деревьев, кроме березы и дуба, покрытия увеличивают коэффициент диффузии в 1,5-2 раза, что не является существенным эффектом.

На последующем этапе исследований после проведенной стадии предварительной сушки будет выполнен полный цикл «увлажнение-сушка», благодаря которому будут уточнены полученные показатели влагопереноса с учетом пластификации и структурной релаксации древесины. Окончательные выводы о влиянии модифицирующих полимерных добавок на влагоперенос в древесине будут сделаны после аналогичных экспериментов с образцами, экспонированными в открытых климатических условиях в течение года.

Значения коэффициента диффузии и предельного влагосодержания, рассчитанные по формулам (2), (3)

Значение

Древесина

Без обработки

ЭД-20 + АФ-2

ЭД-20+ ПЭПА

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

ЭД-20 + АФ2 + Бутанол

ПН-609-21М + УНК-2 + Бутанокс

Коэффициент диффузии D, мм2/сут

Береза

9,3

4,2

4,4

5,2

   

Дуб

2,3

2,8

3,1

2,9

2,3

2,2

Клен

2,0

3,4

3,1

3,9

   

Липа

1,9

3,5

4,4

3,2

   

Осина

1,8

3,4

4,0

4,5

   

Сосна

1,9

3,4

3,8

4,1

   

Ясень

1,8

3,1

3,1

3,4

   

Предельное влагосодержание M0, %

Береза

6,3

4,6

4,4

5,6

   

Дуб

7,0

4,5

4,5

5,5

6,1

6,1

Клен

6,2

4,3

4,4

5,5

   

Липа

6,3

3,7

3,7

4,7

   

Осина

5,1

3,6

3,6

4,3

   

Сосна

7,2

3,4

4,5

4,3

   

Ясень

6,7

4,4

5,0

5,5

   

Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 13-08-12097 «Исследование механизмов климатического старения и биодеструкции полимерных композитов на основе древесины методами динамической механической спектрометрии».

Рецензенты:

Гагарин В.Г., д.т.н., профессор, член-корреспондент РААСН, заведующий лабораторией строительной теплофизики НИИ строительной физики РААСН, г. Москва;

Римшин В.И., д.т.н., профессор, член-корреспондент РААСН, директор Института жилищно-коммунального комплекса, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», г. Москва.

Работа поступила в редакцию 01.04.2014.


Библиографическая ссылка

Старцев О.В., Фролов А.С., Махоньков А.Ю., Ерофеев В.Т., Гудожников С.С., Кротов А.С. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ НА СТАДИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СУШКИ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 5-6. – С. 1183-1186;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34063 (дата обращения: 26.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252