Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Древесина относится к одному из весьма распространенных строительных материалов. Высокая прочность и упругость древесины сочетается с малой плотностью, низкой теплопроводностью, высокой морозостойкостью, легкой обрабатываемостью. Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков, которые ограничивают ее область применения в строительстве. Одним из таких недостатков является гигроскопичность и, как следствие, влажностные деформации, загниваемость и возгораемость. Путем применения различных технологических мероприятий указанные недостатки легко устраняются. Для обоснования применения древесных конструкционных и декоративных элементов в открытых климатических условиях необходимы достоверные сведения о способности древесины сохранять показатели механических свойств в процессе климатического старения. При обработке древесины полимерными системами получают модифицированные материалы c повышенными значениями плотности, прочности, твердости, ударной вязкости. Для модификации древесины применяются фенолформальдегидные, фурановые, полиэфирные, эпоксидные и другие синтетические смолы [1–3]. Полимерные смолы и используемые для отверждения и стабилизации низкомолекулярные компоненты проникают в поверхностные слои дерева и полимеризуются в них. Древесина выполняет роль арматуры, а ее поры, капилляры заполняются полимером. В результате модификации полимерами получается древесина с улучшенными свойствами, с сохранением внешнего вида натурального дерева и с повышенной стойкостью к воздействию влажности, солнечной радиации, воздействию бактерий, грибковой плесени и других агрессивных факторов [14].

Получению конструкционных материалов на основе древесины с биоцидными свойствами для строительного назначения повышенной долговечности в условиях климатических воздействий уделяется повышенное внимание [7, 21, 22, 23]. Несмотря на широкое распространение полимерных композиционных материалов на основе полимерных связующих [1–4, 6, 8–10, 12, 13, 16, 18], разработка древесных пластиков, устойчивых к климатическому воздействию, является актуальной задачей и требует исследования закономерностей их климатического старения.

Целью настоящей работы является исследование влияния защитных покрытий на климатическую стойкость древесины при экспонировании в условиях умеренно теплого морского климата Геленджика.

Объектами исследования выбраны следующие породы древесины: ясень, береза бородавчатая, сосна обыкновенная, дуб черешчатый, липа, клен, осина. Для защиты древесины от климатического воздействия использовали полимерные покрытия на основе эпоксидной смолы ЭД-20. Составы использованных покрытий подробно рассмотрены в [14].

Экспонирование древесины проводилось на открытой площадке Геленджикского центра климатических испытаний ВИАМ [4–8, 13], с суммарным воздействием факторов умеренно теплого климата и под навесом, где отсутствуют осадки и прямые солнечные лучи.

Исследование влияния условий экспонирования на развитие процессов климатического старения древесины без покрытия и с модифицирующими полимерными системами с помощью измерения предела прочности древесины, определения предельного влагонасыщения и коэффициента диффузии влаги, а также с помощью методов динамической механической спектрометрии (ДМС) в исходном состоянии и после различных условий экспозиции.

Для определения предела прочности σви и модуля упругости Е с помощью трехточечного изгиба были выполнены измерения 5 параллельных образцов древесины каждой породы (без защиты и с защитными покрытиями).

Эффективными методами исследования физических свойств древесины и материалов на ее основе являются методы динамической механической спектрометрии (ДМС) [16, 3, 24]. Этими методами получают информацию о релаксационных переходах при проявлении локальной и сегментальной подвижности цепей макромолекул целлюлозы, стеклования ее аморфной части, пластификацию влагой лигнина и гемицеллюлоз, плавление кристаллитов целлюлозы [3, 19]. Релаксационные механические спектры чувствительны к составу и присутствию модификаторов, технологическим режимам переработки, присутствию влаги. Методы ДМС информативны при исследовании механизмов старения [4, 5, 6, 8, 11, 15, 17, 25] и позволяют измерять такие показатели физических свойств, которые бы не зависели от неоднородностей строения и морфологии древесины. Такими показателями являются температуры стеклования Tg лигниноцеллюлозного комплекса и модифицирующих полимерных систем. В работе [14] представлена методика определения Tg древесины и ее защитных покрытий по температурам минимума производной динамического модуля сдвига dG′/dT и максимума динамического модуля потерь G″ в главной релаксационной области.

ДМС-измерения в настоящей работе проведены с помощью обратного крутильного маятника, рассмотренного в [19]. Для повышения оперативности и чувствительности измерений маятник был оснащен автоматизированными системами регулирования температуры, контроля и обработки параметров затухающих колебаний. Измерения динамических механических характеристик выполнялись в температурном интервале 25–230 °С. Точность поддержания температуры составила 0,5 °С, абсолютное значение начальной амплитуды раскачки < 1°, скорость изменения температуры в камере 1 °С/мин. Относительная погрешность определения динамического модуля сдвига < 2 %.

Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение

Измерениями установлено, что после нанесения эпоксидных полимерных пленок на поверхность образцов во всех исследованных породах древесины происходит снижение предела прочности σви и модуля упругости E (табл. 1). Возможной причиной такого уменьшения является вклад покрытий в увеличение толщины образцов. Для параллельных образцов характерен разброс показателей механических свойств на уровне 15–25 %, обусловленный особенностями текстуры. Разнообразие размеров и взаимного расположения сосудов, сердцевинных лучей, древесных волокон и других анатомических элементов является причиной таких значительных различий в значениях σви и E для образцов, вырезанных даже из близко расположенных участков пластины.

Таблица 1

Влияние полимерных покрытий на величину предела прочности, МПа (числитель) и модуля Юнга при изгибе, ГПа (знаменатель)

Таблица 2

Влияние условий и продолжительности экспонирования на усредненные показатели механических свойств семи пород древесины

Примечание. * числитель – абсолютное значение, знаменатель – процент от исходного значения.

Показатели механических свойств древесины без защиты поверхности при натурном экспонировании существенно понижаются. В табл. 2 показано, что эффект снижения механических показателей зависит от продолжительности старения.

Например, после 6 месяцев экспонирования на открытом атмосферном стенде предел прочности при изгибе уменьшается на 33 %, а модуль Юнга на 49 %. Эффект снижения механических показателей зависит также от условий экспонирования. Образцы при выдержке под навесом изолированы от воздействия атмосферных осадков и прямой солнечной радиации. Температура образцов под навесом мало отличается от температуры воздуха, тогда как на открытом атмосферном стенде перегрев образцов в солнечные дни достигает 20–30 °С [13]. По этой причине умеренно теплый микроклимат под навесом менее агрессивен, чем в условиях открытой атмосферы. Под воздействием этих условий механические показатели древесины уменьшаются в меньшей степени. Для сравнения, после 6 месяцев экспонирования под навесом средний предел прочности при изгибе для 7 пород древесины уменьшается на 24 %, а модуль Юнга на 39 %.

Результаты аналогичных измерений защищенных образцов представлены в табл. 3–5. Установлено, что полимерные покрытия препятствуют климатическому старению древесины. Использование покрытий на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с различными отвердителями и биоцидной добавкой после 12 месяцев экспонирования позволило сохранить среднюю прочность при изгибе на уровне не менее 92 %, а в ряде случаев даже увеличить ее до 10 %. Еще заметнее положительный эффект проявляется по изменению модуля Юнга при изгибе. Этот показатель увеличился на 10–20 % после 1, 3, 6, 12 месяцев по сравнению с аналогичными значениями в исходном состоянии.

Возможной причиной эффективности защиты является уменьшение предельного влагосодержания в древесине с нанесенными покрытиями. Для всех пород древесины на стадии предварительной сушки было установлено [16], что влагосодержание в присутствии покрытия уменьшается на 30–50 %. Среднее предельное влагонасыщение древесины с защитными полимерными покрытиями в исходном состоянии и после экспонирования на открытом атмосферном стенде также уменьшается на 20–30 % (табл. 6).

Таблица 3

Влияние условий и продолжительности экспонирования на усредненные показатели механических свойств древесины с покрытием ЭД-20 + АФ-2

Примечание. * числитель – абсолютное значение, знаменатель – процент от исходного состояния.

Таблица 4

Влияние условий и продолжительности экспонирования на усредненные показатели механических свойств древесины с покрытием ЭД-20 + ПЭПА

Примечание. * числитель – абсолютное значение, знаменатель – процент от исходного состояния.

Возрастание модуля Юнга защищенной древесины после различных сроков экспонирования в натурных климатических условиях можно объяснить доотверждением эпоксидных покрытий по данным ДМС. На рисунке показан пример увеличения температуры стеклования покрытия ЭД-20 + АФ-2, нанесенного на образцы липы, в области перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние после экспонирования на открытом атмосферном стенде и под навесом. Атмосферная влага является катализатором доотверждения по молекулярному механизму, ранее рассмотренному в [4, 15, 17, 25].

Ранее было показано [1], что значения температур стеклования полимерных покрытий в исходном состоянии определяются их химическим составом и находятся в интервале от 40 до 55 °С. Исследованные системы древесина - полимерное покрытие по характеру молекулярного движения подчиняются правилу простой смеси, так как порода древесины не влияет на температуры стеклования отвержденных смол с конкретным набором отвердителей и модификаторов.

Таблица 5

Влияние условий и продолжительности экспонирования на усредненные показатели механических свойств древесины с покрытием ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

Примечание. * числитель – абсолютное значение, знаменатель – процент от исходного состояния.

Таблица 6

Среднее предельное влагонасыщение семи пород древесины без защиты и с защитными полимерными покрытиями в исходном состоянии и после 6 месяцев экспонирования на открытом атмосферном стенде

Зависимости dG¢/dT древесины липы в области перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние покрытия на основе смолы ЭД-20 и отвердителя АФ-2 в исходном состоянии (1) и после экспонирования в течение 1 месяца (2, 2′), 3 месяцев (3, 3′), 6 месяцев (4, 4′) под навесом (2, 3, 4) и на открытом атмосферном стенде (2′, 3′, 4′)

Для образцов древесины, изготовленных из одной породы и покрытых одинаковой модифицирующей системой, наблюдается рост температуры стеклования с увеличением времени экспозиции на открытом атмосферном стенде и под навесом. Для динамического модуля потерь с течением времени экспозиции наблюдается снижение абсолютных значений этого показателя, что является признаком уменьшения эластичности эпоксисоединений из-за происходящих под воздействием внешней среды реакций доотверждения [4, 14].

После 12 месяцев экспозиции в открытых климатических условиях для всех покрытий наблюдается возрастание температуры стеклования от 42–53 до 68–70 °С. Типичный пример представлен в табл. 7 для трех покрытий, нанесенных на образцы древесины липы, экспонированной на открытом атмосферном стенде в течение 12 месяцев.

Таблица 7

Влияние продолжительности экспонирования образцов липы с защитными полимерными покрытиями на температуру стеклования покрытий

Заключение

Измерениями установлено, что после нанесения на поверхность образцов эпоксидных полимерных пленок во всех исследованных породах древесины происходит снижение предела прочности и модуля упругости при изгибе. Возможной причиной такого уменьшения является вклад покрытий в увеличение толщины образцов.

Показатели механических свойств древесины без защиты поверхности при натурном экспонировании в условиях умеренно теплого климата Геленджика существенно понижаются. Эффект снижения механических показателей зависит от продолжительности и условий экспонирования.

Полимерные покрытия препятствуют климатическому старению древесины. Использование покрытий на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с различными отвердителями и биоцидной добавкой после 12 месяцев экспонирования позволило сохранить среднюю прочность при изгибе на уровне не менее 92 %, а в ряде случаев даже увеличить ее до 10 %. Еще заметнее эффект защитного воздействия покрытий проявляется по изменению модуля Юнга при изгибе. Этот показатель для образцов с защитными покрытиями увеличился на 10–20 % на различных этапах экспонирования.

Возможной причиной эффективности защиты является уменьшение предельного влагосодержания в древесине, защищенной покрытиями.

Возрастание модуля Юнга защищенной древесины после различных сроков экспонирования в натурных климатических условиях обусловлено доотверждением эпоксидных покрытий. Для образцов древесины, изготовленных из одной породы и покрытых одинаковой модифицирующей системой, наблюдается рост температуры стеклования покрытия с увеличением времени экспозиции на открытом атмосферном стенде и под навесом.

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».