ДИЛАТОМЕТРИЯ  ФАНЕРЫ,  ПОДВЕРЖЕННОЙ  ТЕПЛОВОМУ  СТАРЕНИЮ  И  УФ-ОБЛУЧЕНИЮ

Мамонтов  Семен  Александрович

ассистент  Тамбовского  государственного  технического  университета,

РФ,  г.  Тамбов

Е-mail :  kardinal61@mail.ru

Киселева  Олеся  Анатольевна

канд.  техн.  наук,  доцент  Тамбовского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Тамбов

Е-mail: 

DILATOMETRY  OF  PLYWOOD  EXPOSED  TO  THERMAL  AGING  AND  UV-IRRADIATION

Semen  Mamontov

assistant  of  Tambov  State  Technical  University,   Russia,  Tambov

Olesya  Kiseleva

candidate  of  Technical  Sciences,  Associate  Professor  of  Tambov  State  Technical  University,  Russia,  Tambov

АННОТАЦИЯ

Описано  дилатометрическое  исследование  фанеры,  которое  позволяет  оценить  влияние  теплового  старения  и  УФ-облучения  на  её  структуру  и  выявить  процессы,  протекающие  в  композите.  Установлено,  что  длительное  действие  повышенной  температуры  и  УФ-облучения  увеличивают  температурные  деформации  фанеры  в  1,5—2  раза,  что  необходимо  учитывать  при  её  эксплуатации. 

ABSTRACT

Dilatometric  research  of  plywood,  which  allows  to  evaluate  the  effect  of  thermal  aging  and  UV-irradiation  on  its  structure  and  identify  the  processes  occurring  in  the  composite,  is  described.  Is  found  that  long  action  of  elevated  temperature  and  UV-irradiation  increases  the  temperature  deformations  of  plywood  in  1,5—2  times  that  should  be  considered  when  its  operation.

Ключевые  слова:  дилатометрия;  фанера;  тепловое  старение;  уф-облучение.

Keywords:  dilatometry;  plywood;  thermal  aging;  UV-irradiation.

Исследования,  основанные  на  определении  теплового  расширения  тел  и  его  различных  аномалий  при  фазовых  переходах,  называются  дилатометрическими.  Они  составляют  основу  дилатометрии  -  раздела  физики,  изучающего  зависимость  изменения  размеров  твердого  тела  от  температуры  и  других  факторов  [3,  с.  34].

Старение  древесных  композитов,  сопровождается  изменением  их  влагосодержания,  процессами  деструкции  и  отверждения,  а  также  процессами,  связанными  со  снятием  внутренних  напряжений.  В  свою  очередь  это  сказывается  на  их  тепловом  расширении  [2,  с.  86].

Использование  таких  прямых  физических  методов  исследования  строительных  материалов,  как  дилатометрия,  позволяет  достаточно  обоснованно  делать  предположения  о  протекающих  в  материале  процессах  при  их  старении.

В  качестве  объекта  исследования  выбрана  строительная  фанера  марки  ФК  на  карбамидном  связующем,  образцы  которой  подвергались  воздействию  температуры  80⁰  С  и  УФ-облучению  в  течение  10,  50,  100,  150  и  300  часов.

Реакции  термо-  и  фотоокисления,  инициирующие  на  разных  стадиях  старения  образование  новых  связей  или  деструкцию  материала,  сказываются  на  расположении  дилатометрических  кривых  (рисунок  1).  Наблюдаемое  на  представленных  кривых  сужение  образцов  связано  с  уменьшением  гигроскопической  влажности  древесного  шпона  и  температурной  усадкой  полимерного  связующего  [2,  с.  87].

Рисунок  1.  Дилатометрические  кривые  для  фанеры,  подверженной  тепловому  старению  (а)  и  УФ-облучению  (б)  в  течение  заданного  времени

В  процессе  изготовления  фанерных  плит  в  материале  возникают  значительные  остаточные  температурные  напряжения  из-за  разности  коэффициентов  линейного  расширения  древесного  шпона  и  карбамидного  клея.  Такое  напряженное  состояние  сдерживает  температурные  деформации  материала,  в  результате  чего  коэффициент  термического  расширения  фанеры  очень  мал  [2,  с.  87].  В  результате  длительного  прогревания  и  облучения  величина  коэффициента  линейного  термического  расширения  изменяется  (таблица  1).

Таблица  1. 

Влияние  теплового  старения  (80⁰С)  и  УФ-облучения  на  величину  коэффициента  линейного  термического  расширения  фанеры,  α  (1/⁰С)

Тепловое  старение  при  80⁰С  в  течение  первых  50  часов  приводит  к  перераспределению  и  релаксации  внутренних  остаточных  напряжений.  Коэффициент  линейного  температурного  расширения  при  этом  увеличивается  в  1,2  раза,  а  соответствующая  дилатометрическая  кривая  располагается  выше  кривой,  описывающей  температурные  деформации  для  неподверженной  старению  фанеры  (рисунок  1  а).  Доотверждение  синтетического  клея  при  более  длительном  прогревании  (150  часов)  значительно  снижает  тепловое  расширение  фанеры.  Однако,  протекающие  в  следующие  150  часов  реакции  термоокислительной  деструкции  клея,  древесного  вещества  и  полимеров,  входящих  в  его  состав,  увеличивают  температурные  деформации  и  после  300  часов  они  в  1,5  раза  больше  первоначальных.  Соответствующая  дилатометрическая  кривая  лежит  выше  кривой  для  материала,  не  подверженного  старению,  что  подтверждает  наличие  большого  числа  дефектов  в  структуре  композита.

Световое  старение  оказывает  большее  влияние  на  термическое  расширение  фанеры  (рисунок  1  б).  Фотохимические  реакции,  протекающие  в  облученном  древесном  шпоне  в  течение  100  часов,  нарушают  его  целостность  –  материал  становится  рыхлым. 

Соответствующая  100  часам  уф-облучения  дилатометрическая  кривая  проходит  выше  кривой  для  необлученной  фанеры.  В  результате  коэффициент  теплового  расширения  увеличивается  в  2  раза.  Дальнейшее  действие  фактора,  по-видимому,  делает  материал  более  жестким  за  счет  возникновения  новых  связей,  что  приводит  к  уменьшению  температурных  деформаций  после  300  часов  облучения  в  2  раза.  Дилатометрическая  кривая  при  этом  находится  выше  кривой  для  исходного  материала,  что  свидетельствует  о  нарушении  связей  в  материале  и  определяющей  роли  полимера  в  процессах  разрушения  фанеры  (рисунок  1  б). 

Для  подтверждения  высказываний  о  накоплении  дефектов  структуры  в  процессе  старения  были  сделаны  микрофотографии  поверхности  образцов  на  цифровом  микроскопе  Levenhuk  D50L  NG  (рисунок  2).

Рисунок  2.  Микрофотографии  поверхности  образцов  фанеры:  а)  не  подверженных  старению;  б)  после  300  ч.  УФ-облучения;  в)  после  300  ч.  теплового  старения

Длительное  действие  повышенных  температур  и  УФ-облучения  вызывает  растрескивание  древесного  шпона,  что  отражено  на  снимках  в  виде  темных  полос.  Это  связано  с  усадкой  древесины,  явившейся  результатом  испарения  гигроскопической  влаги  из  стенок  древесных  клеток  [1,  с.  35].  Кроме  того,  ультрафиолетовое  облучение  способствует  окислению  лигнина  —  природного  полимера,  водящего  в  состав  древесины.  Энергии  ультрафиолетовых  волн  достаточно  для  разрушения  связей  в  его  основной  молекулярной  цепи.  В  результате  образуются  свободные  радикалы,  которые  тут  же  окисляются  кислородом  воздуха  [1,  c.  443].  Так  происходит  фотодеструкция,  в  результате  которой  древесина  меняет  свой  цвет,  становится  рыхлой  и  рассыпается.  Подобное  явление  наблюдается  на  представленных  снимках,  на  которых  видны  оборванные  волокна  древесины  (рисунок  2  б).

Проведенное  исследование  по  влиянию  старения  на  изменение  температурных  деформаций  фанеры  подтверждает  общеизвестный  факт  о  том,  что  физико-химические  превращения,  протекающие  в  композите  под  действием  факторов  старения  и  вызывающие  изменение  его  структуры,  имеют  сложный  и  непостоянный  характер.  Установлено,  что  длительное  действие  повышенной  температуры  и  УФ-облучения  увеличивает  термическое  расширение  фанеры  в  1,5  и  2  раза  соответственно,  что  необходимо  учитывать  при  её  эксплуатации.

Список  литературы:

1.Азаров  В.И.,  Буров  А.В.,  Оболенская  А.В.  Химия  древесины  и  синтетических  полимеров.  Учебник  для  вузов.  СПб.:  СПбЛТА,  1999.  —  628  с.

2.Мамонтов  С.А.,  Киселева  О.А.  Тепловое  и  световое  старение  фанеры  строительного  назначения.//Вестник  гражданских  инженеров.  —  2014.  —  №  5  (46).  —  С.  85—89.

3.Новикова  С.И.  Тепловое  расширение  твердых  тел:  Монография  М.:  Наука,  1974.  —  294  с.