Физикомеханические характеристики термодревесной композиции из древесины сосны при баротермической обработке = Physical and Mechanical Characteristics of a Pine Thermowood Composition during Barothermal Treatment

Направление исследования – формирование представлений о структуре и свойствах композитных материалов, получаемых на основе древесины сосны, а также о процессах, происходящих в структуре древесной ткани. Изучено влияние условий баротермической обработки образцов цельной древесины сосны обыкновенной методом взрывного автогидролиза на плотность, прочностные и гидрофобные характеристики термодревесной композиции, получаемой горячим прессованием. Обработка древесины выполнена в разных условиях фактора жесткости взрывного автогидролиза – при температуре 200 ОС и продолжительности процесса от 0,08 до 10 мин. Установлено, что увеличение фактора жесткости гидролиза снижает плотность гидролизованной древесины от 440 до ~350 кг/м3. При выбранных параметрах обработки не происходит фрагментации образцов. Горячее прессование гидролизованной древесины, полученной в условиях незначительной или умеренной жесткости, сопровождается линейным увеличением плотности термодревесного композитного материала от ~440 до 500 кг/м3. Следствием дальнейшего роста жесткости является замедление темпов повышения плотности композитного материала. Условная граница, определяющая достижение максимального количества сшитых межмолекулярных структур в этом материале, соответствует фактору жесткости 3000…4500 мин. Более жесткие условия обработки вызывают интенсификацию процессов термической деструкции. Зависимость гидрофобных характеристик от жесткости условий баротермической обработки носит сложный характер. При факторе жесткости 1000...3000 мин наблюдается точка экстремума, до достижения которой гидрофобные показатели материала ухудшаются. Его водопоглощение возрастает от 50 до 130 %, а разбухание – от 15 до 54 %. После достижения точки экстремума гидрофобные показатели значительно улучшаются. Водопоглощение снижается до ~20 %, разбухание – до ~10 %. Мягкие условия гидролиза не приводят к получению материала со стабильно высокими гидрофобными показателями. Образующихся сшитых структур недостаточно для формирования прочной и водостойкой композиции, вследствие чего ухудшаются гидрофобные характеристики. Возрастание жесткости гидролиза увеличивает количество активных компонентов. Образующиеся при прессовании дополнительные межмолекулярные связи улучшают гидрофобные характеристики. Полученные результаты могут быть использованы при создании моделей процессов, происходящих в структуре лигноцеллюлозного вещества при взрывном автогидролизе и получении композитных материалов, при определении оптимальных параметров баротермической обработки для изготовления композитных материалов с заданными физико-механическими характеристиками. Баротермическая обработка цельной древесины сосны методом взрывного автогидролиза способствует появлению в структуре древесной ткани химически активных компонентов, на количество которых влияет жесткость условий обработки. Свойства получаемого термодревесного композитного материала находятся в зависимости от условий процесса. Для цитирования: Скурыдин Ю.Г., Скурыдина Е.М., Сафин Р.Г., Хабибуллина А.Р. Физико-механические характеристики термодревесной композиции из древесины сосны при баротермической обработке // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 2. С. 143–155. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-143-155
The studies are aimed at forming ideas on the structure and properties of composite materials obtained from pine wood and the processes occurring in the structure of wood tissue. The article presents the data on the influence of the conditions of barothermal treatment of pine wood samples by the method of explosive autohydrolysis on the properties of a thermowood composition. The composite material is obtained by hot pressing. The influence on density, strength and hydrophobic characteristics was studied. A series of samples was made under different conditions of the explosive autohydrolysis rigidity factor; at a temperature of 200 °C and the process duration from 0.08 to 10 min. All samples of composite material were obtained without the use of additional components. It was found that the increase in the hydrolysis rigidity factor leads to a decrease in the density of hydrolyzed wood from 440 to ~350 kg/m3. There is no fragmentation of wood samples with the selected processing parameters. Hot pressing of hydrolyzed wood obtained under conditions of low or moderate rigidity is accompanied by a linear increase in the density of the thermowood composite material from ~440 to 500 kg/m3. The consequence of a further increase in the rigidity factor is a slowdown in the rate of increase in the density of the composite material. The conditional boundary that determines the achievement of the maximum number of cross-linked intermolecular structures in the composite material corresponds to the rigidity factor of 3000–4500 min. More rigid processing conditions cause intensification of thermal degradation processes. The dependence of hydrophobic characteristics on the rigidity of the barothermal treatment conditions is complex. At the rigidity factor of 1000–3000 min, an extreme point is observed, before which the hydrophobic properties of the material deteriorate. Its water absorption and swelling increase from 50 to 130 % and from 15 to 54 %, respectively. The hydrophobic performance is significantly improved after reaching the extreme point. Water absorption and swelling reduce to ~20 % and ~10 %, respectively. Mild hydrolysis conditions do not result in a material with consistently high hydrophobic properties. The cross-linked structures are not enough to form a strong and water-resistant composition, and as a consequence, the hydrophobic characteristics deteriorate. Increasing the value of the hydrolysis rigidity factor increases the number of active components. Additional intermolecular bonds formed during pressing improve hydrophobic characteristics. The obtained results can be used in the creation of models of processes occurring in the structure of lignocellulose substance during explosive autohydrolysis and in the preparation of composite materials based on it. Optimal parameters of barothermal treatment for obtaining composite materials with specified physical and mechanical characteristics can be determined. Barothermal treatment of solid pine wood by explosive autohydrolysis contributes to the occurrence of chemically active components in the structure of wood tissue. Their number depends on the rigidity of the processing conditions. The properties of the resulting thermowood composition depend on the conditions of explosive autohydrolysis. For citation: Skurydin Yu.G., Skurydina E.M., Safin R.G., Khabibulina A.R. Physical and Mechanical Characteristics of a Pine Thermowood Composition during Barothermal Treatment. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 2, pp. 143–155. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-143-155.

Электронное издание «Физикомеханические характеристики термодревесной композиции из древесины сосны при баротермической обработке = Physical and Mechanical Characteristics of a Pine Thermowood Composition during Barothermal Treatment» (бесплатно). Скачать номера в формате PDF.