Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Влажностные свойства древесины

Министерство и образование и науки РФ

Северо-восточный федеральный университет им. М.К.Аммосова

Инженерно-технический институт

Кафедра ТДО и ДК

Выполнила: студентка 3 курса

Ладина Нарыйа

Проверил: Лавров М.Ф.

Влажностные свойства древесины.

Структура древесины такова, что она может впитывать влагу при непосредственном контакте с водой или сорбировать влагу из воздуха. Отметим, что какоето количество влаги содержится в древесине по стоянно. Существуют два принципиально разных вида влажности дерева: внутриклеточная, органическая,влага, и внешняя – влага дождевая, впитываемая деревом. Дерево является природным материалом, восприимчивым к колебаниям температуры и влажности. К его основным свойствам относится гигроскопичность, т. е. способность изменять влажность в соответствии с окружающиму условиями. Говорят, что древесина «дышит», то есть поглощает пары воздуха (сорбция) или выделяет их (десорбция), реагируя на изменения в микроклимате помещения. Поглощение или выделение паров осуществляются за счет клеточных стенок. При неизменном состоянии окружающей среды уровень влажности древесины будет стремиться к постоянной величине, которую называют равновесной(или устойчивой) влажностью.Под абсолютной влажностью понимают выраженное в процентах отношение массы влаги в древесине к массе сухой древесины. По степени влажности древесину подразделяют на виды: мокрая (влажность более 100) – это возможно только при условии, что древесина долгое время находилась в воде; свежесрубленная(влажность от 50 до 100 ); воздушносухая (влажность15–20 в зависимости от климатических условий и времени года) – такая древесина обычно долгое время хранится на воздухе; комнатносухая (влажность обычно равна 8–10 ); абсолютно сухая (ее влажность близ
ка к 0 ). Наименьшей органической влажностью обладает древесина, спиленная зимой. По сравнению с весенней или летней она значительно суше (иногда примерно вдвое), а также тверже.Влажность измеряют специальным прибором – влагомером. Аппарат снабжен металлическими электродами и сигнальной лампочкой. Электроды в нескольких местах вводят в испытываемый образец (но не вблизи сучков и не на концах доски), каждый раз замеряя цифру, возле которой загорается сигнальная лампочка, и после нескольких экспериментов выводят среднее значение. Однако опытные мастера определяют влажность древесины гораздо проще: достаточно не сколько секунд подержать деревяшку в руках, чтобы уверенно определить, насколько она влажна.Отрицательные последствия высыхающей в процессе эксплуатации древесины – ее усушка. Усушкой называют уменьшение линейных размеров и объема при испарении связанной влаги. Причем в различных частях древесной толщи усушка происходит поразному: наименьшая усушка (предел 0,1–0,2 ) наблю дается вдоль волокон; радиальная усушка, в зависи мости от породы, может достигать 3–8 , а тангенциальная – в 1,5–2 раза больше. Кроме того, поздняя древесина усыхает меньше, чем ранняя. В результате увлажнения дерева происходит обратный процесс – разбухание древесины; причем неравномерность усушки или разбухания приводит к внутренним напряжениям, а следовательно, к растрескиванию или короблению.От влажности и породы дерева зависит и его прочность: обычно, чем выше влажность, тем менее прочным становится дерево. Влажная древесина в большей степени подвержена биологической коррозии –гниению, поражению грибком, плесенью и пр.Защита древесины от воздействия влаги осуществляется либо на стадии подготовки деревянных сортаментов (сушка и последующая заводская пропитка),либо непосредственно на объекте: реализация специальных конструктивных решений (гидроизоляция,отсечка фильтрации грунтовых вод и пр.) и нанесение
специальных гидрофобизирующих составов. Защитадеревянных сортаментов и конструкций важна при их хранении – межсезонной консервации. Гидрофобизация – это резкое снижение способности изделий и материалов смачиваться водой и водными растворами при сохранении паро и газопроницаемости. Гидрофобизаторами называют

защитныесредства, снижающее влаго и водопоглощение древесины.Гидрофобизаторы

предназначены для придания водоотталкивающих свойств материалам в целях

предотвращения их водонасыщения. Они не изменяют внешнего вида материала, препятствуют загрязнению,длительно сохраняются. Вода, попадая на обработанную поверхность, скатывается, не сцепляясь с поверхностью, и не оставляет мокрых следов. Одновремен но гидрофобизаторы препятствуют возникновениюплесени, грибков и других биоразрушителей, могут придавать материалу морозостойкость. Особенно важна гидрофобизация древесины зимой.При попадании влаги в поры деревянных изделий и конструкций и ее последующем замерзании при низких температурах очень вероятно образование поверхностных и глубоких трещин. Для их предотвращения и проводятся мероприятия по защите древесины. Зимой их осуществляют путем нанесения составов – не замерзающих,не деформирующихся, способных высыхать при низких температурах. К ним относятся водорастворимые, масляные покрытия, а также специальные пасты.Гидрофобизатор может вводиться принудительной пропиткой в автоклавах и камерах тепловой обработки, методом инъекций (закачивания под давлением)через отверстия, просверленные в материале или конструкции.Поверхностная гидрофобизация предусматривает нанесение на обрабатываемую поверхность рабочего
Защитным эффектомобладают водостойкие лаки (битумные, алкидные идр.) и краски.
Для предварительной гидрофобизации древесиныприменяют грунтование и адгезионную обработку составами на основе алкидной и синтетической смол с последующим покрытием составами на основе тонированных воднодисперсионных лазурей.Обрабатываемую поверхность очищают от пыли,грязи, жировых и масляных пятен. Наносят гидрофобизатор кистью, валиком, пневмораспылителем
за один раз при температуре не ниже +5 °С без пропусков, до полного насыщения материала. Гидрофобный эффект наступает через 12–24 ч. До наступления гидрофобного эффекта рекомендуется не допускать прямого воздействия воды.

Влажность древесины

Почему влажность — важнейшая характеристика?

Основа жизнедеятельности растущего дерева, как и любого биологического объекта, — вода. Ее много в его тканях. Однако она же (наряду с кислородом) необходима для существования грибов и микроорганизмов, разрушающих древесину. Если в естественных условиях этот процесс можно назвать положительным (утилизируется отмирающая древесина), то при использовании древесины как материала для изготовления различных изделий просто необходимо свести к минимуму деструктивные процессы.

Снижение до определенного уровня содержания воды в древесине (сушка) позволяет защитить ее от гниения, существенно улучшить ее механические, технологические и эксплуатационные свойства, превращая ее в весьма ценный материал. И наоборот, для сохранения сырой древесины часто ее дополнительно увлажняют. Известно, что подводные части свай, затопленные бревна и т.п. сохраняются десятки, сотни лет.

Затопление сырья для сезонного хранения используется в фанерном производстве, искусственное дождевание штабелей бревен — в лесопильном. Дело в том, что вода вытесняет из древесины воздух, потребный для жизнедеятельности дереворазрушающих грибов. Пределом влажности, обеспечивающим биостойкость древесины, считается 22%. При доувлажнении масса воды должна быть больше массы самого материала (свыше 100%).Особенно быстро — за один-два месяца! — биологически портятся срубленные, но не разделанные, а следовательно, не просушенные бревна березы, бука, осины. Примерно то же происходит с ясенем, кленом, ольхой и липой. Гниют и сырые доски, уложенные в плотные стопы. Необходимо сырые бревна срочно распиливать и немедленно высушивать с максимально возможной интенсивностью.Главные условия гниения — умеренная температура (от 5 до 40°С), кислород воздуха и значительное, но не близкое к максимальному значению для данной породы, влагосодержание древесины.

Основные показатели содержания влаги

От количества влаги в древесине существенно зависят ее прочность и качество отделки. По разным причинам на всех стадиях производства необходимо контролировать содержание воды в обрабатываемом материале. Тут не обойтись без такого показателя, как влажность.Под нею понимают выраженное в процентах отношение массы воды, содержащейся в образце, к массе сухой древесины образца: W =( m- m_0/ m₀) * 100%

где m — начальная масса образца, г; m₀ — масса того же образца после полного удаления из него влаги.Древесина гигроскопична, она из тех материалов, которые изменяют свою влажность в соответствии с состоянием окружающей среды. Различают два состояния воды в древесине. Свободную — содержащуюся в полостях клеток и межклеточном пространстве. Она поглощается из окружающей среды (при прямом контакте древесины с водой) в жидком состоянии за счет сил капиллярного взаимодействия. Свободная вода удаляется из материала сравнительно легко. Гораздо ощутимее влияет на его свойства связанная вода. Ее еще называют гигроскопической. Она включает в себя адсорбционную и микрокапиллярную воду (по виду удерживающих ее физико-химических связей).

Связанная вода содержится в стенках клеток, способных поглощать пары из воздуха. Удалить ее (особенно адсорбционную фракцию) значительно труднее, чем свободную воду.Обезвоживание древесины происходит последовательно. Сначала уходит свободная вода и лишь затем (ниже предела около 30%) начинает испаряться связанная влага из клеточных стенок (десорбция). Максимальное количество связанной влаги примерно одинаково для всех пород и составляет при нормальной температуре около 30%. Все, что свыше, — свободная вода. По мере десорбции расстояние между мицелиями клеток сокращается— идет усушка древесины. Она приводит не только к изменению физических размеров образца, но и к повышению его прочностных свойств.Сорбция (поглощение) воды приводит к обратному — разбуханию. Помимо влажности используют еще несколько показателей, имеющих определенную практическую ценность.

При длительном воздействии воды на древесину (например, при сплаве) насыщение ею клеточных стенок достигает максимального равновесного значения — влажности предела насыщения клеточных стенок - Wп.н.

Вторая характеристика — влажность предела гигроскопичности — Это максимальная влажность клеточных стенок при сорбции воды (водяного пара) из окружающего воздуха, состояние которого приближается к насыщенному (относительная влажность (q=0,995), при полном отсутствии свободной воды. Процессы десорбции и сорбции воды в силу своей обратимости и постоянного наличия в воздухе водяных паров продолжаются до достижения некоторых устойчивых значений влажности: W_yд. и W_y.c. (для десорбции и сорбции соответственно). Эти значения для одних и тех же внешних условий различны. Инымы словами, если взять два одинаковых образца древесины, отличающихся только по влажности (один влажный, другой сухой) и поместить их в одинаковые температурно-влажностные условия на длительный срок, то W_yд (влажного образца) окажется больше, чем W_yc. (сухого образца). Это явление получило названия гистерезиса сорбции и характеризуется соответствующим показателем: AW = W_yд. -W_yc.

Показатель гистерезиса сорбции зависит в основном от размеров образца. Скажем, для сортиментов крупных сечений (бруски, доски, заготовки) он составляет примерно 2,5%, а для измельченной древесины (опилки, стружки) — 0,2-0,3%, что в расчет не принимается. Для крупных сортиментов вводят среднее равновесное значение. Для средних равновесных значений влажности разработаны диаграммы в координатах: относительная влажность — температура окружающего воздуха. Определив равновесное значение влажности по диаграмме (зная температуру и относительную влажность воздуха), можно рассчитать устойчивые значения влажности древесины при десорбции (сушке) и сорбции:

W_yд = W_P +1,25;

W_yc. = W_P - 1,25.

Эти зависимости справедливы, если древесина не подвергалась воздействию высокой (более 50°С) температуры. Для древесины, прошедшей камерную сушку:

W_yд = W_P;

W_yc. = W_P-2,5.

Можно рассчитать, например, какую влажность будет иметь древесина, прошедшая камерную сушку до влажности 6% и хранящаяся в помещении при температуре 15°С и относительной влажности <q=0,8. Для этих условий равновесное значение влажности, определенное по диаграмме, составит 17%. Теперь определим, что материал увлажнится в названных условиях до W_yc = W_P - 2,5 = 14,5%.

Снижения равновесного значения влажности можно добиться длительным температурным воздействием (свыше 70-80°С), что доказывает термическую деструкцию древесины. Есть и другие способы снижения W_P. Например, пропитка древесины раствором сахара с последующим прогревом (для его карамелизации) уменьшает равновесную влажность вдвое. Тот же эффект дает пропитка древесины березы раствором хлористого алюминия.

Пропитка растворами поваренной соли или карбамида (мочевины) существенно повышает W_P, что важно при производстве, например, бочек.

Гигроскопичность влияет и на долговечность древесины. При многократных изменениях влажности происходит растрескивание, снижение прочности и жесткости материала. Это явление называют гигроусталостью. Самые значительные изменения происходят в процессе первых циклов сорбции — десорбции. Именно поэтому так важно предусмотреть конструктивную защиту от влаги наиболее нагруженных элементов деревянного строения. Кроме конструктивных мер применяют и влагоизолирующие покрытия (лаки, краски), и более радикальный способ — модификацию древесины путем пропитки искусственными смолами. Такие меры замедляют скорость поглощения влаги, улучшают условия службы древесины, предохраняя ее от растрескивания. Однако никакие покрытия не способны полностью предотвратить влагообмен — возможно лишь увеличить время достижения состояния равновесия.

Дуб довольно плохо пилится и строгается, но легко колется. Это его свойство обусловило возникновение техники изготовления так называемого колотого паркета, который отличается своеобразной красотой и уникальной долговечностью.

Методы измерения влажности

Как измерить влажность древесины? Для этого есть прямые и косвенные методы. К прямым относят весовой (ГОСТ 16588-79). Он основан на взвешивании и высушивании проб (образцов), отбираемых из контролируемой партии сортиментов. Из контролируемой партии выбирается заданное количество досок, определяемое объемом контролируемой партии и требуемым уровнем точности и надежности контроля. Из каждой доски выпиливается по два образца.Этот метод весьма трудоемок и длителен, поэтому на практике повсеместно используют косвенные методы, в частности кондуктометрический, в основе которого замер электропроводности материала. Датчик кондуктометрического прибора обычно представляет собой трехигольчатый зонд-электрод. Его втыкают в исследуемый образец на всю глубину в направлении вдоль волокон. Показания считываются со шкалы миллиамперметра, проградуированной в процентах влажности. Датчик для измерения влажности стружки — разъемный стакан, куда между двумя дисковыми электродами помещается определенная весовая порция исследуемого материала, уплотняемая с помощью пресса. Для контроля влажности древесностружечных плит используют четырехигольчатый зонд. Кондуктометрический метод прост и производителен, но имеет свои недостатки. Абсолютная погрешность измерения составляет в диапазоне от 7 до 12% до ±2%; в диапазоне от 12 до 30% — ±3%, э при влажности образца свыше 30% она возрастает в несколько раз.

Помимо названных существует еще целый ряд методов контроля влажности, в той или иной степени используемых на практике. К ним относятся емкостной, индуктивный и радиочастотный методы, основанные на изменении электрических и электромагнитных свойств древесины в зависимости от ее влажности. Емкостные и индуктивные приборы не нашли широкого применения на производстве по ряду причин. Гораздо больше перспектив у приборов, основанных на изменении характеристик электромагнитного излучения в древесине при изменении ее влажности. Предлагается вести контроль по степени проницаемости древесины рентгеновским и бета-излучением.

В процессе сушки иногда ориентируются по усадке штабеля: когда удается накопить информацию, позволяющую установить устойчивую зависимость между влажностью и усадкой уложенных в штабель пиломатериалов.

Свойства древесины, связанные с ее влажностью

Первым делом следует упомянуть о влагопроводности. Ею характеризуется способность материала проводить связанную воду. Влага перемещается в древесине по системам макрокапилляров, заполненных воздухом, и микрокапилляров в клеточных стенках. По первым — в виде пара, по вторым — преимущественно в виде жидкости.

Влагопроводность определяет скорость сушки древесины и увеличивается при повышении температуры вследствие более интенсивного испарения воды и увеличения скорости диффузии пара, а также за счет снижения вязкости воды.

Усушка и разбухание — взаимосвязанные свойства, подчиняющиеся в основном одним и тем же закономерностям. О природе усушки и разбухания уже говорилось. Вследствие того что древесина материал анизотропный (свойства в различных ее частях и направлениях заметно разнятся), усушка и разбухание идут неравномерно по объему образца. Наиболее выраженные их проявления наблюдаются в тангенциальном направлении поперек волокон, наименьшее — вдоль волокон. Различают полную объемную и линейную усушку (разбухание). Полная объемная усушка — это относительное изменение объема при изменении влажности образца от значения влажности насыщения клеточных стенок (около 30%) до абсолютно сухого состояния. Аналогично определяется и линейная усушка, измеряемая в поперечном (тангенциальном и радиальном) и продольном направлении.

Разбухание существенно зависит от свойств пропитывающей жидкости, в частности от ее диэлектрической постоянной. Например, керосин практически не вызывает разбухания.

Из-за уже упомянутой анизотропии и неравномерности сушки или пропитки в древесине возникают внутренние напряжения. Они создаются и в процессе роста дерева. Величина их существенно выше при камерной сушке (по сравнению с атмосферной). Для лиственных пород характерен более высокий уровень внутренних напряжений, чем для хвойных. Внутренние напряжения способны приводить к короблению сортиментов, растрескиванию, даже разрушению.

Коробление — это изменение заданной формы пиломатериалов или заготовок при сушке, выпиловке и хранении. Поперечная покоробленность (доски приобретают желобчатую форму) объясняется разницей в радиальной и тангенциальной усушке. Чем ближе к сердцевине бревна выпилена доска, тем заметнее ее поперечная покоробленность. Продольная возникает из-за разницы в усушке древесины вдоль волокон (скажем, из-за присутствия креневой древесины). Крыловатость возникает в пиломатериалах с наклоном волокон.Нарушение равновесия внутренних напряжений при обработке (делении, несимметричном фрезеровании) приводит к короблению заготовок. Оно случается и при распиловке бревен с внутренними напряжениями, возникшими при росте дерева.

Во время хранения пиломатериалы или заготовки нередко коробятся из-за неправильной их укладки в штабеля. Чтобы уменьшить вероятность коробления досок в процессе сушки и хранения, необходимо тщательно укладывать их в штабеля и применять специальные прижимы.Остаточные напряжения после сушки могут быть полностью сняты или уменьшены до допустимых значений путем некоторого увлажнения поверхности древесины (паром или водой), а также путем приложения механических усилий. Некоторые специалисты предлагают для этой цели обрабатывать пиломатериалы
ионизирующими излучениями.

Приведем классификацию древесины по влажности в зависимости от области ее использования и ценности.

· Влажная (W > 22%) — полуфабрикат. Такая древесина не должна поступать в продажу (примем ее стоимость за 1).

· Товарная, транспортно-сухая (атмосферно-сухая, экспортная) (W = 22%) — ей придана влажность, соответствующая пределу биостойкости, в при которой плотно уложенные пиломатериалы можно перевозить в летнее время и длительно хранить без опасения поражения их грибами (коэффициент ценности по отношению к влажной К = 1,2).

· Товарно-строительная (W = 17%) — применяется для изготовления строительных деталей и конструкций, имеющих непосредственный контакт с атмосферным воздухом с (К = 1,5).

· Нормализованная, строительная Г (W = 12%) — применяется в строительстве, обеспечивает высокую прочность, технологичность, надежную сопрягаемость и отличную отделку (не допускается разброс по влажности и все виды внутренних дефектов) (К = 2,4).

· Мебельно-сухая (W = 6%) — применяется в производстве мебели и деталей интерьера (К = 3). Подводя итог, отметим: правильный

выбор параметров древесины, связанных с ее влажностью, в совокупности с конструктивными и технологическими мероприятиями по снижению влагопоглощения — гарантия долговечности высококачественных
изделий.