СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИРОДНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

MODERN METHODS OF RESEARCH OF THERMAL PROPERTIES OF NATURAL WOOD доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей и прикладной физики Матвеев Н.Н.

кандидат технических наук, преподаватель кафедры общей и прикладной физики Евсикова Н.Ю.

кандидат технических наук, доцент кафедры общей и прикладной физики

Камалова Н.С.

кандидат технических наук, доцент кафедры общей и прикладной физики

Саушкин В.В.

ФГБОУ В ПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» Matveev N.N., Evsikova N.Y., Kamalova N.S., Saushkin V.V.

FSBEIHPE «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies»

Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

DOI: 10Л2737/3018

Abstract. An integrated approach to the study of biocomposites in the new modern direction COMPLEX SISTEM can be successfully applied to the study of natural wood. Since the quality of wood-based materials largely determines the structure of wood pulp forming fibers, control over its supramolecular structure during processing allow to transfer the technology to produce high-quality timber to a higher level of innovation. As it is known, the samples extracted from the wood pulp has supramolecular structure change during isolation. Molecular crystallites are destroyed or substantially evaporated. Further processing is required to control the humidity of the wood. The ability to observe the distribution of moisture in the wood, for example during drying would significantly automate this process. Therefore sit eems more relevant than ever the need to develop non-destructive methods of timber control, allowing moisture to observe the micro structure and dynamics of cellulose . Under this approach, it is possible to measure the fluctuations of the microstructure of wood and moisture using electrical appliances.

The basis of such analysis methods are based on the response of wood on the physical impact. A similar approach is used in solving problems of condensed matter physics. As an external physical influence can be used microwave radiation, the pulse magnetic field or a constant linear temperature nonuniformity along one of the sizes.

Keywords: wood, property, research, thermal physics, microstructure, humidity.

Комплексный подход к исследованию биокомпозитов в рамках нового современного направления COMPLEX SISTEM может быть успешно применен к исследованию природной древесины. Поскольку качество древесных материалов во многом определяет структура волокнообразутощей древесны целлюлозы, контроль над ее надмолекулярной структурой в процессе обработки позволит перевести технологии по производству качественной древесины на более высокий инновационный уровень. Как известно, выделенная из древесных образцов целлюлоза меняет свою надмолекулярную структуру в процессе выделения. Молекулярные кристаллиты разрушаются или существенно перестраиваются. Кроме того, в процессе обработки необходим контроль за влажностью древесины. Возможность проводить наблюдение за распределением влажности в древесине, например, во время сушки позволило бы существенно автоматизировать этот процесс. Поэтому как никогда актуальной представляется необходимость разработки методов неразрушающего древесину контроля, позволяющих наблюдать за влажностью и динамикой микроструктуры целлюлозы. В рамках подобного подхода появляется возможность проводить измерения флуктуаций микроструктуры древесины и влажности с помощью электроизмерительных приборов.

В основе таких методов лежит анализ отклика древесины на физическое воздействие. Подобный подход используется при решении задач физики конденсированного состояния. В качестве внешнего физического воздействия можно использовать СВЧ -излучение, импульсное магнитное поле, или постоянная линейная неоднородность температуры вдоль одного из размеров.

Такая неоднородность, безусловно, вызовет изменение сегментальной поляризованное™ целлюлозы Р в такой сложной композиционной системе, как древесина [1]. Для анализа возникающих изменений такую систему удобно моделировать полимерным композитом, основными компонентами которого являются кристаллическая волокнообразующая целлюлоза и аморфный лигнин, представляющей из себя эластичный связующий наполнитель [2]. Для оценки подобного отклика композита необходимо учесть пирроэлектрический и пьезоэлектрический эффект в кристаллитах целлюлозы, обусловленный деформацией последних в силу теплового расширения вязкого полимерного наполнителя и суммарную ориентационную поляризованность APin в боковых полярных группах макромолекул целлюлозы в электрическом поле вызванном пьезо- и пироэффектом:

где dijk - тензор пьезоэлектрических модулей, Cjkmi - константы упругой жесткости, pmi - отношение модуля Юнга лигнина к модулю Юнга целлюлозы, а - коэффициент теплового расширения лигнина, - пироэлектрический коэффициент целлюлозы. Ориентационную поляризованность целлюлозы во внешнем электрическом поле напряженностью Е можно оценить используя [3], тогда в слое толщиной 10 и площади s :

Здесь соответственно V=xs, V0=loS .

Однако, если древесина влажная, то в порах содержится N молекул воды, равное

Здесь а- влажность древесины, р0- молярная масса воды, р- плотность сухой древесины, NA - число Авогадро. Молекулы воды во внешнем электрическом поле dE=dtf ? (где ?. _ диэлектрическая проницаемость древесины в выбранном направлении ), поляризуются. Тогда согласно закону Кюри выражение (2) после элементарных математических преобразований будет записано в виде:

Здесь р-дипольный момент молекулы воды, кБ-постоянная Больцмана .

Поскольку отклик древесины, как сложного полимерного композита на постоянную линейную неоднородность температуры вдоль одного из его размеров в каждой точке определяется изменением его поляризованности, которое прямо пропорционально величине этой неоднородности, интересна оценка величины $Pi /dT, которая легко получается из (3):

Здесь /Е^^Т/^е?-ориентационная восприимчивость аморфной части целлюлозы, %-восприимчивость воды при 100% влажности. Если ввести обозначение то учитывая, что,

- разность потенциалов, возникающая в слое в следствии поляризации при постоянной неоднородности температуры, в следствии пирроэфекта и поляризации аморфной части целлюлозы соответственно получим, что отношение разности потенциалов в слое к величине неоднородности температуры его вызывающей:

Кроме того, если умножить обе части на АТ, и ввести параметры 3=с&г//0 -относительное тепловое расширение лигнина и

Выражение (7) показывает, что отклик такого сложного биокомпозита на линейную неоднородность можно наблюдать с помощью электроизмерительных приборов, что он напрямую определяется надмолекулярной структурой целлюлозы (отношением разности потенциалов в силу ориентации в аморфной части целлюлозы и кристаллической).

Измерения разности потенциалов для различных пород древесины могут послужить основой для создания технологии сравнительных оценок различий их микроструктуры, а следовательно и всех остальных физических свойств.

Соотношение (7) может лечь в основу способов измерения влажности древесины при сушке с помощью электронных датчиков, что внесет вклад в автоматизацию этого процесса и разработки технологий контроля качества древесины непосредственно в процессе ее обработки.

Библиографический список

  • 1. Новый подход к определению степени кристалличности целлюлозы в древесине [Текст]/ Н. Ю. Евсикова, Н. С. Камалова, Н. Н. Матвеев, В. В. Постников // Известия РАН. Серия физическая. - 2010. - Т. 74 - № 9. - С. 1373-1374.
  • 2. Степень кристалличности целлюлозы и время релаксации сегментальной подвижности ее макромолекул в неоднородном температурном поле [Текст]/ Н. Ю. Евсикова, Н. Н. Матвеев, Н. С. Камалова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7 - № 8. - С. 180-182.
  • 3. О возможности исследования изменений надмолекулярной структуры целлюлозы в неоднородном температурном поле [Текст]/Н.Н.Матвеев, Н.Ю.Евсикова, Н.С. Камалова, Н.И. Коротких//Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции, №5, 2013, С109-115.

УДК 536.24

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >