Древесина и окружающий воздух

Современная технология сушки древесины базируется на результатах последних исследований структуры древесины и ее физических свойств. Самыми важными физическими характеристиками древесины, определяющими ее взаимодействие с окружающей средой, являются ее гигроскопичность и гигроскопическое равновесие с воздухом. С гигроскопичностью также связана нестабильностьегоразмеров и формы.

Древесина является органическим материалом, состоящим из клеток, стенки которых имеют многослойную структуру. Клеточная стенка, в состав которой входит целлюлоза, лигнин и гемицеллюлоза, гигроскопична, то есть, способна поглощать влагу из окружающей среды. До сих пор не существует эффективных и рациональных методов нейтрализации гигроскопичности. При равенстве давлений пара в древесине и воздухе между ними наступает гигроскопическое равновесие, а влажность, которую при этом имеет древесина называется «равновесной влажностью» UE (Лист 2, Таблицы 1 и 2).

Гигроскопичность является неотъемлемым свойством древесины, которая всегда стремится к гигроскопическому равновесию с воздухом.

Изменение давления, температуры и относительной влажности воздуха инициирует процесс «сорбции», при этом во влажной среде в результате адсорбции древесина поглощает влагу из окружающего воздуха, а в сухом воздухе с низкой UEпроисходит десорбция (сушка). Этот процесс является причиной нестабильности размеров древесины (усушка - разбухание) и формы (коробление). Однако, как только влажность древесины достигает уровня UE при постоянных климатических условиях, ее размеры стабилизируются (для расчета усушки и разбухания см. стр.43).

Предел гигроскопичности определяется количеством влаги, поглощенной клеточными стенками, где она посредством физико-химических связей адсорбируется составляющими клеточную стенку элементами. При завершении реакции древесина достигает состояния насыщения и приобретает влажность, называемой «точка насыщения волокна» (PS),значение которой варьируется для разных пород в пределах от 22 до 40%. Среднее значение влажности равное 30% используется, когда PSнеизвестна (см. Лист 7 – Информация по породам древесины, Таблица 2).

PS уменьшается с повышением плотности древесины: более высокое значение характерно для заболони и безъядровых пород (пихта белая – до 40%); более низкое - для сильно окрашенных ядровых пород (каштан – 22%).Также PS линейно уменьшается с увеличением температуры. При высоких температурах разница между PS для различных древесных пород уменьшается. Приведенная ниже таблица содержит примерные значения PS при различных температурах для древесных пород, не указанных в Таблице 2.

Влага, содержащаяся в клеточной стенке, называется «гигроскопической влагой». При влажности выше РS древесина не может адсорбировать влагу из воздуха, однако при непосредственном контакте с водой происходит ее проникновения в микрополости. На Листе 2, Таблицы 1 и 2 приведены средние значения равновесной влажности при десорбции (сушка), называемой «условной равновесной влажностью» (UEC). Для некоторых древесных пород эти значения необходимо корректировать путем их сравнения с данными на Листе 7 – Таблица 5.

Лист 2 содержит две иллюстрирующие гигроскопичность древесины при сушке (десорбции) таблицы с основными характеристиками воздуха и его смеси с водяным паром (нормальный воздух) при нормальном атмосферном давлении, которые на практике определяются по значениям температуры Ти относительной влажности UR.

Стр.10 - Сноски к графикам

Рис. 1 (стр. 10)

Гистерезис и гигроскопическая инерция

(график XILON, год VI, №60, рис.1)

Кривые данного графика иллюстрируют зависимость равновесной влажности древесины бука ( ось Y) от относительной влажности воздуха (ось Х) при температуре окружающей среды около 25 °С (изотермы).

ГИСТЕРЕЗИС:

· кривая АВ показывает значения равновесной влажности при десорбции (сушке): при UR=75% UE=16,5%; при UR=20% UE=5%;

· кривая СD показывает, что древесина, предварительно высушенная при нормальной температуре до влажности 5%, при сорбции в воздухе с относительной влажностью 75% достигает равновесной влажности UE=13,1%, (при сушке UE=16,5%) и остается стабильной на уровне 5% до UR=25%;

· кривая ЕF показывает, что, древесина, предварительно высушенная при температуре 103 °С до влажности 5%, при сорбции в воздухе с относительной влажностью 75% достигает равновесной влажности UE=11,5%, (при сушке UE=16,5%) и остается стабильной на 5% до UR=35%; факт, отражающий большую стабильность древесины, высушенной при повышенной температуре;

гигроскопическая инерция

Выделенный сектор 1234 показывает реальный диапазон изменения влажности букового паркета (замеры проводились более 3 лет) в воздухе, относительная влажность которого колебалась в пределах от 20 до 75%: изменение влажности древесины, обусловленное гигроскопической инерцией, составило только 3%, т.е. между 7 и 10%.

Рис. 2 (стр. 10)

(график XILON, год VI, № 60, рис. 2)

Изменение влажности древесины в окружающей среде. (Поведение образцов бука 5х5х5 см за период более 2 лет в отапливаемом зимой (18-20 °С) помещении. Точки прерывистой кривой представляют средние значения для 3-х кубиков с различным покрытием поверхности. Значения влажности определялись весовым методом.

Определение термина: гигроскопическая равновесная влажность древесины – это влажность, при которой древесина достигает равновесия с окружающим воздухом при данной температуре и относительной влажности. Таблицы с терминами «условная гигроскопическая равновесная влажность» UEC% указывают средние значения для древесиныпри сушке, от которых, как показывают недавние исследования, для некоторых пород имеют место некоторые отклонения. Наконец, приведенные значения также отличаются от величин, получаемых приабсорбции (увлажнении) вследствие явления гистерезиса. Для поправок см. Лист 3, Таблица 3.

Эти две Таблицы дают разные значения в зависимости от того, используется ли в сушильной камере психрометр или гигрометр с целлюлозной или древесной пластинкой:

Таблица 1 – условная гигроскопическая равновесная влажность древесины UEC% и относительная влажность воздуха UR%, соответствующие значениям температуры воздуха Т °С и психрометрической разницы ΔТ °Спри использовании психрометра;

Таблица 2 – психрометрическая разность ΔТ °С и относительная влажность воздуха UR%, соответствующие значениям UEC (целлюлозная или древесная пластинка) и температуры воздуха Т.

Значения гигроскопической равновесной влажности, в перегретом паре при нормальном атмосферном давлении, указаны в последней колонке Листа 1, Таблицы 2.

При адсорбции влажность древесины остается ниже соответствующей величины UEC,т.е. наблюдается определенный «гистерезис адсорбции». Гистерезис зависит от породы древесины и температуры предшествующей сушки и имеет значение на 2-8% ниже равновесного (Лист 3, Таблица 3). Вследствие гистерезиса в процессе сорбции имеются промежутки стабильности, зависящие, главным образом, от температуры предшествующей сушки: чем выше температура предшествующей сушки, тем стабильнее поведение древесины(Рисунок 1).

При циклической сорбции влажность древесины не изменяется сразу же вслед за изменениями состояния окружающей его среды и не достигает максимальных и минимальных значений, соответствующих UR. Подобное запаздывание может быть определено как «гигроскопическая инерция».

Гигроскопическая инерция зависит от плотности древесины и размеров досок, а также и от динамики изменения Т и UR (Рисунок 1). Чем больше интервалы между климатическими пиками и меньше их продолжительность, тем больше отклонение влажности древесины от значения UEC, соответствующего условиям предшествующего климатического пика. В общем, можно заключить, что влажность древесины (а, следовательно, и ее размеры) изменяется гораздо меньше, чем должна была бы, если бы она непрерывно соответствовала изменяющемуся состоянию окружающей среды. Чем больше продолжительность климатического пика, тем ближе влажность древесины приближается к максимальным значениям, но остающаяся разность не может быть меньше величины гистерезиса (Рисунок 2).

Конечная влажность высушенного пиломатериала должна соответствовать климатическим условиям, в которых он будет использоваться (Лист 3, Таблица 1). Зная температуру и относительную влажность воздуха, конечная влажность пиломатериала можно определить по Листу 3, Таблице 2. Однако в реальности, наблюдается ежедневное и сезонное изменение состояния окружающего воздуха, что вызывает необходимость учитывать соответствующие изменения влажности изделий из древесины в конкретных климатических условиях.

Учитывая нестабильность размеров и формы, связанную с изменениями влажности, следует, прежде всего, определить какой вид деформации древесины - усушка или разбухание - наиболее опасно для изделия.

Как правило, в более холодных регионах принимаются низкие значения влажности. Для деревянных изделий, подвергающихся механическим нагрузкам (спортивные снаряды, лестницы, полы, музыкальные инструменты) принимаются более низкие значения влажности по сравнению с другими изделиями, эксплуатируемыми в помещении.

ФИЗИКА СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ

Почему и как сохнет древесина

При сушке древесины наблюдается перенос влаги из внутренних к поверхностным слоям, где происходит ее испарение. Традиционная сушка представляет собой совокупность двух процессов:

- перемещение воды из внутренних зон к поверхности сортимента;

- испарение воды с поверхности сортимента в атмосферу.

Для испарения воды необходимо, чтобы окружающий воздух был ненасыщенным, а для обеспечения внутреннего переноса влаги к поверхности по направлению к центральным зонам должен поддерживаться повышающийся градиент влажности (положительный градиент).

Градиент влажности обеспечивает движение воды и водяного пара внутри древесины из самой влажной зоны в наиболее сухую.

Процесс сушки начинается сразу же после контакта свежесрубленной древесины с воздухом за счет поверхностного испарения воды. Испарение с поверхности создает градиент влажности, возрастающий по направлению к центру.

Свежесрубленная древесина кроме воды, химически и физически связанной с клеточными стенками (гигроскопическая влага), всегда содержит и свободную воду, находящуюся в клеточных и межклеточных полостях. Ядровая древесина хвойных пород обычно имеет невысокую влажность (31-35%, примерно 100 кг/м3), в тоже время заболонь отличается высоким содержанием воды (120-160%, примерно 570 кг/м3; - исключения: сосна Веймутова и пихта белая с влажным ядром). Древесина лиственных пород имеет более высокую влажность (80-90% - 480-560 кг/м3, тополь даже более 200%), но при этом не наблюдается значительной разницы между влажностью заболони и ядра. (Лист 7 – Таблица 1).

Влажность древесины хвойных деревьев больше в вершинной части ствола, поскольку там преобладает заболонь, тогда как в лиственных деревьях такого различия практически нет. Обычно с повышением возраста дерева влажность древесины понижается, поэтому лесоматериалы из молодого леса имеет более высокую влажность, чем из взрослого леса. Как правило, из разновозрастного леса получаются более влажные лесоматериалы, чем из одновозрастного, а лесоматериалы из порослевого леса более влажные, чем из высокоствольного леса.

Скорость испарения зависит от температуры и относительной влажности окружающего воздуха: она возрастает при увеличении температуры и понижении относительной влажности воздуха. В стационарных климатических условиях скорость испарения постоянна.

Процесс испарения подчиняется закону Дальтона, согласно которому пар (как все газы) распространяется в воздухе по направлению к области минимального давления, а скорость испарения пропорциональна разности давлений водяного пара в зоне поверхностного слоя воды и в воздухе.

Рис. 3 (стр.13)

Идеализированные распределения влажности на различных фазах сушки для древесины: а, проницаемой; b, средне проницаемой; с, непроницаемой. I-II-III -фазы сушки; А-В - подфазы фазы II.

1. диапазон изменения влажности для режима гигроскопического равновесия при сушке; 2. Возможная I критическая точка для проницаемой древесины и пограничная влажность между подфазами (А-В) фазы II для непроницаемой и средне проницаемой древесины; Ui начальная влажность; Uį точка насыщения волокна; Ueį равновесная влажность в начале сушки; Ueƒ равновесная влажность после сушки.

Рис. 4 (стр.14)

Схема проведения контроля за состоянием материала по секциям и контрольному образцу:

· А – схема выпиловки контрольных секций: секции для средней влажности, секции для послойной влажности, силовой секции и контрольного образца из контрольной доски.

· В – раскрой секции для определения влажности поверхностных и внутренних слоев при контроле градиента влажности в поперечном сечении контрольной доски (2 слоя для толщин до 3,8 см, 3 слоя для толщин более 3,8 см).

· С – силовая секция (U-образная или в форме вилки) для контроля внутренних напряжений в контрольной доске (2 зубца для толщин до 3,8 см, 4 зубца для толщин более 3,8 см).

· D – растягивающие напряжения в поверхностных зонах и сжимающие напряжения внутри контрольной доски: 1 - распределение напряжений, 2 - изгиб двух половинок секции после ее раскалывания по средней линии доски, 3 - удлинение внутренних слоев при одновременном укорочении наружных слоев, 4 - изгиб наружу зубцов силовой секции;

· Е – растягивающие напряжения внутри и сжимающие напряжения в поверхностных зонах контрольной доски: 1 - распределение напряжений, 2 - изгиб двух половинок секции после ее раскалывания с образованием зазора между ними (в плоскости распила), 3 - укорочение внутренних слоев при одновременном удлинении наружных слоев, 4 - изгиб вовнутрь зубцов силовой секции (типичное состояние материала после сушки).

Скорость внутреннего переноса влаги зависит от градиента влажности и температуры внутри древесины: в большинстве случаев (за исключением проницаемой древесины с очень высокой влажностью) она определяется количеством влаги в клеточных стенках (градиент влажности), массой клеточных стенок (плотность древесины) и температурой, и падает с понижением влажности древесины.

Перенос воды внутри древесины в первую очередь зависит от ее проницаемости для воды и пара. Клеточная стенка древесины непроницаема, что означает, что движение потока жидкости или газа (пара) через стенки невозможно. Перемещение потоков, однако, возможно внутри полостей клеток (в частности, в сосудах лиственных пород) и через поры, точнее, через микроотверстия в менбрамах пор. Если указанные проходы не закупорены, то древесина проницаема, а если закупорены, то древесина непроницаема.

Механизм перемещения обусловлен наличием градиента сил поверхностного натяжения в менисках капилляров древесины (иногда также проявлением осмоса жидкости, возникающим при появлении градиента соляной концентрации), а также газовой диффузией в направлении градиента давления пара в полостях близлежащих клеток. Скорость диффузии пара через полости клеток, открытые сосуды и открытые поры в тысячу раз больше по сравнению с другими описанными выше потоками, что обеспечивает очень высокую скорость сушки проницаемой и очень влажной древесины, особенно, если в древесине происходит внутреннее кипение.

Подобное «движение» влаги происходит до тех пор, пока в близлежащих клетках есть свободная вода. Скорость этих потоков остается постоянной до тех пор, пока не изменится скорость испарения.

После удаления свободной влаги в клеточных стенках остается только гигроскопическая влага, перенос которой происходит за счет перемещения молекул воды через клеточные стенки в направлении градиента концентрации влаги, а также благодаря диффузии водяного пара через полости клеток по направлению градиента давления пара, т. е. в направлении градиента относительной влажности воздуха.

Совокупность двух описанных процессов переноса в технологии сушки называется термином «диффузия». В среднем, скорость диффузии в направлении вдоль волокон в 10 раз больше, чем в поперечном направлении; она также выше в радиальном направлении за счет сердцевинных лучей, по сравнению с тангенциальным направлением.

В непроницаемой древесине (Лист 7 – Таблица 4) свободная вода (вода и пар, содержащиеся в клеточных и межклеточных полостях) также перемещается в соответствие с механизмом молекулярного движения через стенки клеток. Увеличение скорости диффузии за счет градиента концентрации влаги имеет определенный предел, связанный с понижением «смачиваемости» абсолютно сухой древесины, что может блокировать влагоперенос (формирование напряженного состояния и образование водяных карманов – см. стр.19).

Скорость диффузии увеличивается с повышением температуры и уменьшается при понижении влажности (обезвоживание).

Водонепроницаемость древесины возрастает с увеличением плотности, количества тил, а также содержания масел и смол.

Кроме того, влагоперенос внутри древесины может быть вызван градиентом температуры, благодаря которому влага перемещается из более нагретых слоев в более холодные. Скорость этого переноса возрастает при увеличении градиента температуры.

С другой стороны, при высокой температуре понижается механическое сопротивление, противодействующее напряжениям, возникающим в древесине в процессе сушки (при влажности выше PS они минимальны). И, наконец, повышенная относительная влажность воздуха вместе с температурой создают условия для изменения цвета древесины.

Технологический процесс сушки, таким образом, можно разделить на три фазы, которые характеризуются явлениями, обусловливающими состояние материала:

1-я фаза:

развивается до момента, когда влажность периферийных слоев достигает точки насыщения волокна (РS); они достигают РS первыми благодаря появлению градиента влажности при испарении влаги с поверхности.

В момент окончания первой фазы, который называется Первая критическая точка (Р1), средняя влажность древесины будет различной в зависимости от ее проницаемости (Рисунок 3): чуть меньше, чем начальная влажность для непроницаемой древесины и не более 2/3Uį+10% для проницаемой древесины (Лист 7 – Таблица 4) – (сравнить с Листом 6, Таблица 3).В это время древесина содержит свободную воду, отсутствуют усушка и напряжения, а механическое сопротивление минимально. Это самая короткая фаза процесса сушки, причем, чем древесина более непроницаема, тем короче фаза. Скорость сушки на этой фазе остается постоянной.

2-я фаза:

продолжается до тех пор, пока наружные слои не достигнут гигроскопического равновесия с окружающим воздухом, а влажность внутренних слоев не приблизится к точке насыщения волокна (РS). Во время этой фазы граница зоны насыщения капиллярных стенок сдвигается к центру. В конце этой фазы, которая называется Вторая критическая точка (Р2), средняя влажность будет примерно Р2=2/3РS+1/3UE (15-30%) – (использовать Лист 6, Таблица 3 для составления программы сушки).

Наружные слои древесины усыхают и в них возникают растягивающие напряжению, что приводит к сжатию внутренних слоев и формированию напряженного состояния, создающего предпосылки для образования «поверхностных трещин» на тангенциальных поверхностях. Механическое сопротивление внутри остается минимальным, но оно увеличиваются по мере приближения к поверхностным слоям, где влажность уже ниже РS. Скорость внутреннего перемещения воды к поверхности постоянно уменьшается за счет то, что начинает превалировать диффузионный перенос в зоне, ограниченной смещающейся к центру границей области насыщения клеточных стенок.

Это фаза формирования напряженного состояния, когда в наружных слоях постоянно действуют растягивающие напряжения (деформации ограничены и усушка задерживается),которые превышают предел эластичности и могут инициировать образование поверхностных трещин, особенно на тангенциальных поверхностях.[x1] В этот момент напряжения могут превысить соответствующий предел прочности, который в поперечном направлении на самом деле очень мал (см. главу Дефекты). Поверхностные зоны становятся более сухими по сравнению с внутренними зонами. Если расколоть выпиленную секцию по средней линии, то ее половинки выгнуться наружу (Рисунок 4D).Скорость сушки начинает уменьшаться.

3-я фаза:

начинается с точки Р2, когда происходит выравнивание влажности внутри древесины (уменьшение градиента влажности в поперечном сечении) при небольшой скорости испарения.

Граница гигроскопического равновесия с воздухом постепенно смещается от поверхности к центру, с последующим понижением влажности в центре древесины ниже значения РS. Движение Н₂O в древесине происходит вследствие диффузии, скорость которой меняется по экспоненциальной кривой с соответствующей асимптотой. Процесс усушки смещается внутрь заготовки и происходит инверсия напряжений, величина которых будет тем больше, чем сильнее были сжаты внутренние слои и растянуты периферийные: таким образом, периферийные слои будут сжаты, а внутренние слои растянуты. Если распилить доску посередине, то вследствие напряжений, две ее части выгнутся по отношению к линии распила (зазор) (Рисунок 16).

На протяжении этой стадии происходит увеличение механического сопротивления с отрицательным градиентом по направлению к центру.