Проницаемость древесины жидкостями и газами кратко
Обновлено: 05.07.2024
Под пропитываемостью древесины понимается вся совокупность свойств материала, обеспечивающая возможность введения в него необходимого количества пропиточной жидкости на заданную глубину.
Пропитываемость древесины определяется следующими ее свойствами: проницаемостью древесины, смачиваемостью ее и емкостью.
Учитывая, что древесина - это пористый материал, при определенной плотности и влажности она имеет и определенную свободную емкость - пространство в полостях клеток, которое может быть в различной степени заполнено другим веществом, например, воздухом, свободной влагой, пропиточной жидкостью.
Главным фактором, определяющим пропитываемость древесины, является ее проницаемость.
Проницаемость - способность древесины поглощать и пропускать жидкости и газы.
Проницаемость древесины определяется следующими факторами.
1. Порода.
На основании исследований СНПЛзд сухую древесину по отношению к подавляющему числу защитных средств и способов пропитки можно классифицировать следующим образом:
- легкопропитываемая (заболонь сосны, березы и бука);
- умереннопропитываемая (ядро сосны, кедр, ольха, осина, заболонь дуба, клена, липы, лиственницы и граба);
- трудно пропитываемая (ель, пихта, ложное ядро березы, бука, ядро вяза, дуба, ясеня и лиственницы).
2. Положение в стволе.
Как видно из вышеприведенной классификации, заболонь пропитывается легче, чем ядро. Объясняется это тем, что емкость ядровой древесины значительно меньше, чем заболонной, в силу того, что полости клеток заняты экстрактивными веществами.
Также вершинная часть ствола у ряда хвойных пород пропитывается на 10. 20% лучше, чем комлевая, которая содержит смолу в больших количествах.
3. Влажность.
Чаще всего предпропиточная влажность древесины должна соответствовать эксплуатационной и не должна превышать точки насыщения волокна, т.е. 30%. В противном случае емкость древесины будет ограничена свободной влагой, находящейся в полостях клеток. При влажности 70. 90% древесина становится газонепроницаемой.
4. Наличие пороков.
Так, например, наклон волокон, синева, плесень улучшает проникновение антисептика. Трудно пропитывается побуревшая древесина, пораженная некоторыми насекомыми, и т.п.
5. Направление волокон.
Проницаемость древесины вдоль волокон от 10 до 1000 раз выше, чем поперек волокон, так как строение трахеид у хвойных пород и сосудов у лиственных пород изначально способствует переносу жидкостей вдоль оси ствола. В поперечном направлении в разных плоскостях проницаемость различна. Так, в радиальном направлении она в 2. 5 раз выше, чем в тангенциальном. Это объясняется тем, что в радиальном направлении существует целостная система, по которой происходит перенос жидкостей, - это сердцевинные лучи, что является более результативным, чем движение жидкости через поры в боковых стенках клеток.
6. Свойства пропиточных жидкостей.
Так, экспериментально доказано, что полярные жидкости легче проникают в древесину, чем неполярные. Также влияют на проницаемость древесины вязкость и поверхностная активность пропиточной жидкости.
Проницаемость характеризует способность древесины пропускать жидкости или газы под давлением. При испытаниях используют из жидкостей воду, а из газов — воздух или азот.
Водопроницаемость определяют по методу, разработанному В. А. Баженовым (ГОСТ 16483.15 — 72), устанавливая количество воды, см 3 , прошедшее в сутки через образец диаметром 47 мм и высотой 20 мм под действием гидростатического давления 0,01 МПа. Вдоль волокон водопроницаемость древесины значительно выше, чем поперек волокон, при этом у древесины лиственных пород она в несколько раз больше, чем у хвойных. В радиальном направлении водопроницаемость намного больше, чем в тангенциальном. У хвойных пород это объясняется, по мнению В. Н. Ермолина, наличием лучевых трахеид. Заболонь имеет намного большую водопроницаемость, чем содержащее смолистые и другие экстрактивные вещества ядро (спелая древесина), которое у некоторых пород вообще не пропускает воду.
Газопроницаемость определяют на несколько переоборудованном приборе для испытания на водопроницаемость. Воздухопроницаемость древесины (объем воздуха, проходящего через единицу площади образца в единицу времени) вдоль волокон в десятки раз больше, чем поперек волокон. В радиальном направлении поперек волокон этот показатель больше, чем в тангенциальном направлении. По ГОСТ 16483.34—77 определяют коэффициент газопроницаемости, учитывающий высоту образца и давление газа. Согласно данным Е. В. Харук и Г. С. Ковригина, наибольшие значения коэффициента азотопроницаемости для радиального направления поперек волокон обнаружены у заболони сосны, несколько меньший коэффициент у кедра и лиственницы, совсем малый у ели и пихты. У всех пород (кроме пихты) азотопроницаемость заболони намного выше, чем ядра (спелой древесины).
Испытания древесины на газопроницаемость требуют значительно меньше времени, чем длительные испытания проницаемости жидкостями. Обычно между указанными свойствами наблюдается тесная связь и определение газопроницаемости используют для оценки способности древесины пропитываться растворами антисептиков и антипиренов, варочными растворами при получении целлюлозы и т. д.
Способность древесины пропускать жидкости и газы имеет важное значение при разработке режимов пропитки и сушки древесины, выборе материала для изготовления бочарной тары, деревянных судов, трубопроводов и других целей. При испытаниях в качестве жидкости обычно используют воду, а в качестве газа — воздух.
Водопроницаемость зависит от породы древесины, положения в стволе и направления. В связи с различной длиной водопроводящих элементов древесины хвойных (трахеиды) и лиственных (сосуды) пород водопроницаемость вдоль волокон у этих двух групп резко различна: так, под давлением 1 ат через отрезок ствола 1 м у лиственных пород профильтровывается через 1 см 2 поперечного сечения 50—150 см 3 воды за 1 ч, а у хвойных всего 5—50 см 3 , т. е. в 3—10 раз меньше. В пределах одной и той же породы водопроницаемость заболони выше, чем ядра и спелой древесины. В среднем через образцы из заболони пихты толщиной 10 мм в течение 48 ч профильтровалось 58,8 см 3 воды, из ели 7,4 см 3 , а через образцы такой же толщины из спелой древесины соответственно 7,4 и 1,5 см 3 , т. е. в, 5—8 раз меньше.
Из перечисленных выше факторов особенно важно направление, так как водопроницаемость вдоль волокон резко отличается от проницаемости поперек волокон. Через отрезок пихты длиной 8 см столб воды 50 см 3 фильтровался по направлению волокон в течение 1 ч; поперек волокон в тангенциальном направлении при том же давлении через образцы толщиной I—3,5 см за 20 ч проходило всего 4—10 см 3 воды, т. е. в несколько сотен раз меньше. Поперек волокон водопроницаемость по радиальному направлению в среднем для большинства пород несколько больше, чем по тангенциальному. Здесь имеют значение особенности анатомического строения древесины разных пород: расположение и состояние пор на стенках элементов, количество и степень проницаемости сердцевинных лучей, состояние горизонтальных смоляных ходов и др., а также ее смолистость. Известно, что проницаемость водой древесины заболони сосны больше, чем древесины ядра: просачивание капельножидкой воды наблюдается только через древесину заболони. В то же время смолистость древесины ядра больше, чем заболони, причем смола в древесине ядра находится не только в смоляных ходах, на и в трахеидах.
Наиболее существенной причиной плохой водопроницаемости ядра является именно смолистость. Если удалить смолу из древесины ядра экстрагированием, водопроницаемость в радиальном направлении будет примерно такой же, как древесины заболони. Нагревание древесины ядра выше температуры плавления смолистых веществ повышает водопроницаемость древесины (в нагретом состоянии).
Основные показатели водопроницаемости — количество воды в кубических сантиметрах, прошедшее через образец за сутки при установившемся состоянии, и конечная средняя влажность образца. Дополнительной характеристикой может служить диаграмма водопроницаемости (на оси абсцисс откладывается время в сутках, а на оси ординат — количество поглощенной и прошедшей через образец воды в граммах).
При проникновении газов в древесину необходимо различать два случая: проникновение газов при атмосферном давлении, или газопоглощение древесины, и прохождение газов через древесину под давлением, или газопроницаемость древесины. Первый случай имеет существенное практическое значение при дезинфекции древесины, зараженной насекомыми или грибами, а также в некоторых случаях службы древесины (химические заводы) и при газовом крашении ее; второй случай встречается в некоторых видах тары (чанах, пивных бочках и т. д.)
Хлор, сернистый ангидрид и хлорпикрин при атмосферном давлении в течение суток проникают в древесину сосны при 10%-ной влажности в радиальном направлении на глубину не более 1—2 мм, а сероуглерод, пары формалина и уксусной кислоты — на глубину до 3 мм; вдоль волокон те же газы проникали на глубину около 10 мм. В сухую древесину сосны сероводород проникает легко без добавочного давления и предварительного вакуума; легче сероводород проникает вдоль волокон, труднее — в радиальном направлении; в ядровую древесину труднее, чем в заболонную. Из трех пород наиболее трудно проницаемой для сероводорода оказалась ольха, а наиболее легко — береза; сосна заняла промежуточное положение. Полная гибель всех личинок в древесине при концентрации сероводорода 3,6% достигается через 24 ч; при 5,6% — через 9 ч и 10,5% — через 5 ч. Под избыточным давлением газы проникают на значительно большую глубину.
Фильтрация под давлением очищенного от водяных паров воздуха через древесину разных пород (сосны, ели, дуба, бука, березы) при влажности ее 10— 12% увеличивается с повышением давления (зависимость параболическая) и проницаемость древесины сосны для газов в радиальном направлении больше, чем в тангенциальном в 2—5 раз, ели — в 10 раз. Примерно такие же соотношения для заболони сосны и ели. Наибольшая проницаемость обнаруживается при движении газов вдоль волокон.
Газопроницаемость определяется количеством (объемом) прошедшего воздуха (см 3 ) через 1 см 2 поверхности образца в 1 сек. Величина газопроницаемости зависит от давления, свойств древесины и газа, а также их состояния, поэтому в качестве критерия газопроницаемости рекомендуется использовать коэффициент газопроницаемости Кг (см 2 /сек. ати), вычисляемый по формуле:
где V — газопроницаемость, см 3 1см 2 х сек; р — манометрическое давление, ати; h — высота образца, см. Испытания на газопроницаемость требует значительно меньше времени, чем длительные испытания проницаемости жидкостями. В ряде случаев при тесной корреляции между указанными свойствами можно использовать определение газопроницаемости в качестве экспресс-метода оценки проницаемости древесины жидкостями.
Проницаемость характеризует способность древесины пропускать жидкости или газы под давлением. Эта способность древесины необходима для оценки пропитываемости растворами антисептиков и антипиренами, варочными растворами при получении целлюлозы и т.д.
Исследованиями установлено, что водопроницаемость древесины вдоль волокон значительно выше, чем поперек, при этом у древесины лиственных пород она в несколько раз больше, чем у хвойных. Заболонь имеет намного большую водопроницаемость, чем ядро (спелая древесина), которое у некоторых пород вообще не пропускает воду.
У хвойных пород это объясняется по мнению профессора В. Н. Ермолина, наличием лучевых трахеид. Заболонь имеет намного большую водопроницаемость, чем содержащее смолистые и другие экстрактивные вещества ядро (спелая древесина), которое у некоторых пород вообще не пропускает воду.
Испытания древесины на проницаемость жидкостями требует много времени, поэтому более экономично испытания проводить на газопроницаемость (для этих целей используется азот).
По ГОСТ 16483.34-77 определяют коэффициент газопроницаемости, учитывающий высоту образца и давление газа. Согласно данным профессора Е.В. Харук, наибольшие значения коэффициента азотопроницаемости для радиального направления поперек волокон обнаружены у заболони сосны, несколько меньший коэффициент у кедра и лиственницы, совсем малый у ели и пихты. У всех пород (кроме пихты) азотопроницаемость заболони намного выше, чем ядра (спелой древесины).
Испытания древесины на газопроницаемость требуют значительно меньше времени, чем длительные испытания проницаемости жидкостями. Обычно между указанными свойствами наблюдается тесная связь, и определение газопроницаемости используют для оценки способности древесины пропитываться растворами антисептиков и антипиренов, варочными растворами при получении целлюлозы и т. д.
Тепловые свойства древесины
К теплофизическим свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Известно, что теплоемкость материала характеризует его способность аккумулировать тепло. Показателем этого свойства является удельная теплоемкость, представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы материала на 1 градус К (или на 1 о C). Удельная теплоемкость измеряется в кДж/(кг· о C).
Процессы распространения (переноса) тепла в материале характеризуются двумя показателями - коэффициентом теплопроводности и коэффициентом температуропроводности.
Коэффициентом теплопроводности входит в качестве коэффициента в уравнение стационарного теплообмена, устанавливающее связь между количеством теплоты, распространяющейся внутри тела, и площадью сечения, перпендикулярного тепловому потоку, временем, перепадом температур на двух изотермических поверхностях, а также расстоянием между ними. Размерность коэффициента теплопроводности - Вт/(м· о C).
При стационарном теплообмене температурное поле в материале остается постоянным во времени. Второй, из указанных выше коэффициентов, характеризует скорость изменения температуры при нестационарном теплообмене (при нагревании или охлаждении определяет способность выравнивать температуру внутри материала).
Коэффициент температуропроводности определяется по выражению
а = l /с r , (17)
где r - плотность, кг/м 3 ; с - удельная теплоемкость, кДж/(кг· о C); l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м· о C).
Теплоемкость древесины. Одновременное влияние температуры и влажности на теплоемкость древесины можно проследить по диаграмме (рис. 14), построенной П.С. Серговским. На этой же диаграмме представлены значения теплоемкости при отрицательных температурах.
При положительных температурах вода оказывает увеличение теплоемкости больше, чем температура. При отрицательных - наоборот: главным фактором, влияющим на теплоемкость мерзлой древесины, является не влажность, а температура вещества. Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и древесины. По современным данным при 0 о C для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж/(кг· о C).
Рис. 14. Диаграмма удельной теплоемкости древесины.
Теплопроводность древесины. На способность древесины проводить тепло оказывают влияние многие факторы: направление теплового потока (вдоль или поперек волокон древесины), процент поздней древесины в годичном слое, влажность древесины, наличие сердцевинных лучей и их величина поперечного сечения, температура древесины и т.д. Но наибольшее влияние оказывает на теплопроводность плотность древесины.
На рис. 15 приведена обобщенная диаграмма коэффициентов теплопроводности древесины для древесины березы. Используя диаграмму, можно определить теплопроводность древесины и других пород. Значения коэффициентов у древесины сравнительно невелики, поэтому древесина относится к довольно хорошим теплоизоляционным материалам.
Рис. 15. Диаграмма коэффициента теплопроводности древесины березы
Температуропроводность древесины. Величина коэффициента температуропроводности определяется по уравнению (17), если известны значения двух других тепловых коэффициентов. Для абсолютно сухой древесины коэффициент температуропроводности зависит от плотности древесины. Однако с уменьшением плотности коэффициент температуропроводности возрастает. Это связано с возрастанием в единице объема доли воздуха, имеющего температуропроводность примерно в 100 раз большую, чем древесинное вещество. С увеличением содержания свободной воды температуропроводность резко падает, т.к. воздух в полостях клеток замещается водой, имеющей примерно в 150 раз меньший коэффициент температуропроводности. При влажности ниже влияние влажности на величину практически не наблюдается, т.к. коэффициенты температуропроводности древесинного вещества и воды довольно близки.
Тепловое расширение древесины. При нагревании твердых тел, в том числе и древесины, происходит увеличение их объема. Коэффициент линейного расширения представляет собой изменение единицы длины тела при нагревании его на 1 о C.
Вследствие анизотропии древесины коэффициенты по трем структурным направлениям различны. По данным многих авторов наблюдается известная аналогия с анизотропией усушки (разбухания).
Тепловое расширение поперек волокон значительно (иногда в 10-15 раз) больше, чем вдоль волокон, причем в тангенциальном направлении обычно в 1,5-1,8 раза больше, чем в радиальном. Так, например, для древесины (вдоль волокон) = (2,5-5,4)·10 -6 1/ о C.
Показатели, характеризующие тепловые свойства древесины, используются в основном для расчета процессов ее нагревания, сушки, оттаивания, замораживания, потерь тепла через ограждения из древесины.
Ради продолжения жизни древесине или предоставления специальных свойств, ее покрывают или пропитывают различными химическими веществами. Для выполнения этого процесса крайне необходимо знать свойства древесины.
По способности древесины впитывать жидкость специалисты оценивают ее водопроницаемость. Как проникающую жидкость при испытаниях используют воду, а для оценки газопроницаемости - воздух и азот.
Водопроницаемость древесины существенно зависит от направления движения жидкости относительно волокон. Вдоль древесины проницаемость обычно значительно больше, чем поперек. Ядро и спелая древесина пропускают воду меньше, чем заболонь. Наличие сердцевинных лучей облегчает проницаемость жидкости в поперечном направлении. Эти два обстоятельства заставляют, например, клепку для дубовых бочек делать исключительно из ядра и использовать радиальный раскрой.
Водопроницаемость в лиственных пород в несколько раз больше, чем у хвойных. Наличие в ядре хвойных большего количества смоляных и других экстрактивных веществ препятствует (или вообще исключает такую возможность) перемещения воды по микрокапилярах.
В зависимости от потребностей, это может быть либо плохо, либо хорошо. Так, чтобы обеспечить надежное проникновение антисептика проводится знесмолення. Знесмолення, которое делают перед отделкой, повышает адгезию покрытия к основанию. Например, обработку спиртобензолом используют, в основном, для сосны и кедра, реже для ели и лиственницы, древесину пихты обрабатывают метанолом или ацетоном. Проницаемость защитными веществами при этом улучшается в несколько раз.
Все отечественные породы древесины по возможности пропитки защитными средствами подразделяют на три группы: легко утечек - заболонь сосны, березы и бука; умеренно утечек - заболонь граба, дуба, клена, лиственницы европейской, липы, ядро сосны, ольха; трудно утечек - ель, пихта , спелая древесина бука, ядро ясеня, лиственница европейская.
Для облегчения проникновения защитных средств в древесину трудно утечек пород используют Накалывание, ультразвуковую обработку, утечки под давлением.
Для деревянных домов одной из лучших свойств является газопроницаемость древесины, что позволяет дому "дышать".
Проницаемость древесины газами, как и жидкостями, в продольном направлении есть в десятки раз большей, чем в поперечном.
Наибольшая газопроницаемость среди хвойных пород зафиксирована в заболони сосны, несколько меньше в кедра и лиственницы. Очень низкая - в древесины ели и пихты. Существенно снижают газопроницаемость древесины отделочные покрытия, хотя опыты свидетельствуют, что древесина сохраняет способность пропускать воздух.
Исследование древесины на газопроницаемость забирает значительно меньше времени, чем исследование проницаемости жидкостями. Поскольку между этими показателями наблюдается тесная корреляционная связь, то за газопроницаемостью часто оценивают возможность древесины просачиваться жидкостями антисептиков, антипиренов и т. п.
Читайте также: