Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

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.

Статья в формате PDF

419 KB

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]:

0 < x < l, x > 0;

(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

(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:

(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.

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)

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)

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