Физика древесины

Реологические свойства древесины
Реология - наука, изучающая деформационные свойства древесины.
Реология рассматривает действующие на древесину механические напряжения и вызываемые ими деформации, как обратимые, так и необратимые (остаточные).

Арка Делорма
Арка Эми

Фазовое состояние вещества определяется степенью упорядоченности частиц, из которого оно состоит.
Газообразное состояние самое неупорядоченное;
Кристаллическое имеет наиболее упорядоченную структуру.
Жидкое состояние занимает среднее положение, в нем отсутствует дальний порядок, но наблюдается ближний порядок расположения частиц.
Для отверждённых полимеров, твёрдое состояние вещества, имеющее структуру жидкости, называется аморфным состоянием.

Аморфные полимеры с линейными молекулами в зависимости от условий могут находиться в трех реологических состояниях:
- стеклообразном;
- высокоэластичном;
- вязкотекучем.
Эти состояния определяются способностью всей макромолекулы или ее отдельных участков менять свою конформацию.

Стеклообразное состояние существует при низких температурах, когда энергия теплового движения молекул ниже энергии межмолекулярного взаимодействия. Скорость перемещения молекул мала; молекулярные цепи не могут менять ни своей конформации, ни взаимного расположения. Это твердое состояние.
Высокоэластичное состояние существует в области промежуточных температур. При таком состоянии вещества возможно изменение взаимного расположения отдельных частей молекул, но не макромолекул в целом. Вещество проявляет эластичные свойства.
Вязкотекучее состояние существует при высоких температурах. Молекулы могут перемещаться друг относительно друга. Вещество обладает текучестью, только его вязкость в 10 в 10 степени раз больше вязкости низкомолекулярных жидких соединений.

Переход из одного реологического состояния в другое происходит не при определенной температуре, а в интервале температур. Средняя температура перехода из высокоэластичного состояния в стеклообразное называется температурой стеклования, а из высокоэластичного в вязкотекучее – температурой текучести. Значения этих температур зависят от способа их определения. Стеклообразное состояние возможно для всех аморфных полимеров, высокоэластичное и вязкотекучее состояние не всегда достигается из-за термической неустойчивости некоторых полимеров.

Известно, что прочность вещества возрастает с увеличением его плотности. Характер связи между плотностью древесины и ее прочностью установлен проф. П.Н.Хухрянским

Повышение прочности древесины при её уплотнении в про­цессе склеивания широко используется в технологии изготовле­ния клееных слои­стых материалов, таких как бакелизированная фанера и древеснослоистые пластики.
При незначительных усилиях прессования, когда плотность изменяется несущественно, например в производстве фанеры и фанер­ных плит, деформация пакета шпона безусловно вредна, т.к. ухудшает ус­ловия формирования клеевого соединения вслед­ствие уменьшения парога­зопроводности древесины и приводит к перерасходу сырья.

Носителем механических свойств древесины является высокоориентированный полимер-целлюлоза.
Аморфные полимеры состоят из длинных гибких цепных молекул. Такая особенность строения полимеров определяет особый характер их поведения под нагрузкой.

Состав древесины по содержанию основных компонентов (%).
Различные породы древесины по своему элементному составу весьма схожи и в абсолютно сухом состоянии содержат около 49,5% углерода, 44,2% кислорода и 6,3% водорода

При приложении усилий к полимеру могут возникнуть следующие три вида деформаций:
упругие деформации вследствие обратимого изменения средних междучастичных расстояний;
высокоэластические деформации, связанные с обратимой перегруппировкой частиц (звеньев цепных молекул);
вязко-текучие деформации, обусловленные необратимым смещением молекулярных цепей.

При возрастающем напряжении от сжатия поперек волокон древесина проходит две различные области деформирования
- область не­полной уп­ругости, которая характеризуется упругими деформа­циями и упругим по­следействием, сравнительно быстро достига­ющим постоянной величины,
- область пластического течения, в которой имеет место интен­сивная деформация после­действия, растущая под действием постоянного напряжения

Деформации пиломатериалов

Наличие в древесине гибких цепных волокон природной цел­люлозы определяет релаксационный характер процессов деформи­рования древе­сины и вызывает необходимость учета фактора времени.
Два физических состояния древесины - стеклообраз­ное и высо­коэластическое. В первом - деформации в основном упругие и подобны деформациям твердого кристаллического тела. Модуль упругости при деформации в 1-ом состоянии остается постоянным. Во втором - кроме упругой, в древесине развивается высокоэла­стическая деформация (ползучести) .

Реологические модели и закономерности их деформирования /37/:
а – Гуково тело; б – Ньютонова жидкость; в – Тело Максвелла;
г – Тело Фойгта; д – Тело Бюргерса (шпон).

Переход древесины из одного состояния в другое возможен под дейст­вием одного из факторов:
напряжения, превышающего предел вынужден­ной эластичности
тем­пературы
влажности.
Модуль упругости при деформации дре­весины во второй области непрерывно снижается. Высокоэласти­ческая деформация не исчезает после сня­тия, т.е. является ос­таточной, но она термовлагообратима, так как в значитель­ной степе­ни уменьшается при нагревании и увлажнении образца.

При сжатии влажной и нагретой древесины, после прекращения дейст­вия внешней силы (равной усилию прессования фанеры и фанерных плит) конечный размер почти полностью восстанавли­вается

Склеивание шпона
В началь­ный период прессования, имеющаяся в пакете влага и подведенная теплота, способствуют значительному уплотнению пакета шпона. В процессе его выдержки под давлением в формируемом материа­ле благодаря упругости древесины накапливается потенциальная энергия, которая при снятии внешнего усилия будет способство­вать восстановлению деформации, од­нако, по мере уменьшения влажности древесины и отверждения клея внут­реннее трение в древесине возрастает, что препятствует возвращению ее
в исхо­дное состояние

Уплотнение древесины в процессе склеивания приводит к увеличению её прочности, изменяет условия тепло- и массопереноса, является причи­ной возникновения в склеиваемом материале парогазовой смеси, разру­шающей клеевое соединение, внутренних напряжений, способных не только нарушить целостность материа­ла, но и деформировать его. Кроме того, чрезмерное уплотнение увеличивает расход древесины на изготовле­ние единицы продукции.

Экспериментально установлено, что при склеивании шпона в производстве фанеры полная деформация может достигать 40 %, а остаточная - 16% в зависимости от породы древесины и ус­ловий склеивания.
В начале процесса деформирования проис­ходит быстрый рост полной деформации, зависящей от давления плит пресса и влажности пакета шпона, равной суммарной влаж­ности шпона и связующего. В этот период времени, когда пакет еще не нагрет, его деформация зависит от мо­дуля упругости Е (при Т = 20 0С) и практически вся является упругой.
По мере на­грева пакета шпона его податливость увеличивается и при посто­янном давлении продолжается рост полной и остаточной деформа­ции, восстанавливающаяся деформация уменьшается. Основными факторами, ускоряющими (замедляющими) этот процесс, являются температура и влажность пакета шпона