Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ВЛАГОПЕРЕНОСА ДРЕВЕСИНЫ С ЗАЩИТНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Старцев О.В. 1 Молоков М.В. 1 Ерофеев В.Т. 2 Кротов А.С. 3 Гудожников С.С. 2
1 ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ
2 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»
3 ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет»
Исследована эффективность защитных эпоксидных и полиэфирных покрытий на коэффициент диффузии влаги и предельное влагонасыщение семи пород древесины при экспонировании в условиях умеренно теплого морского климата Геленджика. Для исходных и подвергнутых климатическому воздействию образцов без защиты и с защитными покрытиями влагоперенос моделируется вторым законом Фика. После нанесения защитных покрытий коэффициент диффузии влаги в древесину возрастает, а предельное влагонасыщение уменьшается. Эта закономерность прослеживается и на различных этапах климатического старения древесины. Из всех вариантов полимерной защиты наилучший результат достигается для покрытия на основе эпоксидной смолы ЭД-20, отвержденной продуктом АФ-2. На основе полученных результатов проведено обобщенное моделирование влагопереноса в древесине, учитывающее толщину образцов, породу дерева, вид покрытия, продолжительность и условия экспонирования. Предложены три модели, основанные на предположении об аддитивном влиянии перечисленных факторов на показатели влагопереноса с коэффициентом детерминированности от 0,72 до 0,91.
древесина
коэффициент диффузии влаги
предельное влагонасыщение
эпоксидное покрытие
климатическое старение
моделирование
1. Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Козомазов В.Н. Полимерные композиционные материалы: учебное пособие. – М.: АСВ, 2013. – 480 с.
2. Бобрышев А.Н., Ерофеев В.Т., Козомазов В.Н. Физика и синергетика дисперсно-неупорядоченных конденсированных композитных систем. – СПб.: Наука, 2012. – 476 с.
3. Ерофеев В.Т., Соколова Ю.А., Богатов А.Д. и др. Эпоксидные полимербетоны, модифицированные нефтяными битумами, каменноугольной и карбамидными смолами и аминопроизводными соединениями / под общ. ред. Ю.А. Соколовой и В.Т. Ерофеева. – М.: Изд-во «Палеотип», 2008. – 244 с.
4. Микульский В.Г., Сахаров Г.П. Строительные материалы (Материаловедение. Технология конструкционных материалов): учебное издание. – М.: АСВ, 2007. – 520 с.
5. Старцев О.В., Махоньков А.Ю., Молоков М.В., Ерофеев В.Т., Гудожников С.С. Исследование молекулярной подвижности и температуры стеклования полимерных композитов на основе древесины методами динамической механической спектрометрии // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 5. – Ч. 6. – С. 1177–1182.
6. Старцев О.В., Фролов А.С., Махоньков А.Ю., Ерофеев В.Т., Гудожников С.С., Кротов А.С. Оценка параметров влагопереноса полимерных композитов на основе древесины на стадии предварительной сушки // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 5. – Ч. 6. – С. 1183–1186.

Древесина относится к числу самых распространенных строительных, отделочных и конструкционных материалов [4] из-за сочетания ее механических и декоративных свойств. Основным недостатком древесины является ее высокая гидрофильность: в условиях повышенной влажности образцы древесины способны сорбировать до 20–25 % влаги [5]. Сорбированная влага является причиной ухудшения механических показателей, растрескивания, коробления строительных элементов. При модификации древесина приобретает улучшенные свойства. Потенциальные возможности древесины достаточно велики. Прочностные и многие другие характеристики значительно увеличиваются именно в композиционных материалах. Для модификации древесины используют мономеры и полимеры [1–3]. Определение показателей влагопереноса в обычной и модифицированной древесине привлекает внимание многих исследователей. Особый интерес вызывают закономерности изменения предельного влагонасыщения и коэффициента диффузии влаги древесины, подвергнутой натурному климатическому воздействию.

Ранее нами [5] были определены показатели влагопереноса для семи пород древесины в исходном состоянии на стадии предварительной сушки. Целью настоящей работы является определение закономерностей изменения предельного влагонасыщения и коэффициента диффузии влаги древесины под воздействием факторов внешней среды при экспонировании в условиях умеренно теплого морского климата Геленджика.

Материалы и методы исследования

В качестве объектов исследования выбраны следующие породы древесины, произрастающие на территории РФ: ясень, береза бородавчатая, сосна обыкновенная, дуб черешчатый, липа, клен, осина [6]. Для защиты древесины от климатического воздействия использовали полимерные покрытия на основе эпоксидной смолы ЭД-20.

Эпоксидная смола марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), представляет собой жидкий реакционноспособный олигомерный продукт на основе диглицидилового эфира дифенилолпропана. Для отверждения использовали полиэтиленполиамин (ПЭПА) (ТУ 2413357-00203447-99) и отвердитель АФ-2 (ТУ 2494-511-00203521-94), предназначенный для холодного отверждения эпоксидных композиций, способных вступать в реакцию отверждения во влажной среде. АФ-2 представляет собой смесь олигомеров, полученных взаимодействием фенола, этилендиамина и формальдегида [1–3].

Отдельно была приготовлена композиция на основе смолы ЭД-20, отвержденной ПЭПА, в состав которой введен препарат «Тефлекс Антиплесень» (ТУ 23-86-003-23170704–99) – строительный полимерный биоцид пролонгированного действия на водной основе с рН 6,5–7,5. В его составе содержится 1–5 % биоцидаполигексаметиленгуанидина .

Обработка древесины осуществлялась путем окунания в композицию подготовленных образцов и последующего высушивания и отверждения. Высушивание образцов осуществлялось в течение одних суток в нормальных температурных условиях (температура 18–20 °C и относительная влажность 70–80 %). Окончательное отверждение модифицированных образцов производили при температуре 80 °С с длительностью прогрева 6 часов.

Для защиты древесины дуба и сосны от воздействия климатических факторов использовали также отвердитель АФ-2 в сочетании с одноатомным спиртом C4H9OH марки Бутанол-1 (ТУ6-09-1708-77). Дополнительно опробовали эффективность полиэфирного защитного покрытия на основе смолы ПН-609-21М, отвержденной продуктом марки Бутанокс (ГОСТ 6221-90). Этот отвердитель, представляющий собой 50 %-ный раствор перекиси метилэтилкетона в дибутилфталате, обеспечивает необходимые скорость, глубину отверждения и хорошие физико-механические свойства отвержденных полиэфиров. Для сокращения времени отверждения в полиэфирную смолу добавлялся ускоритель УНК-2 (ТУ6-05-1075-76) – низкомолекулярная жидкость от розового до темно-фиолетового цвета плотностью 0,92–0,95 г/см3 с массовой долей кобальта 1,2–1,5 %.

Из пластин исходной и защищенной эпоксидными покрытиями древесины вырезались образцы одинаковой формы в виде квадратных пластин со стороной 50 мм и толщиной 1,5–2 мм. Перед началом сушки измерялась масса образцов. Затем образцы помещались в термошкаф с постоянной температурой 60 ± 2 °C, в котором происходило их высушивание до стабилизации массы или увлажнение в воздушной среде с относительной влажностью 98 ± 2 %. В процессе высушивания или увлажнения периодически измерялись масса и толщина образцов.

Результаты исследования и их обсуждение

В работе [2] было показано, что в стационарных термовлажностных условиях влагоперенос в древесине моделируется вторым законом Фика в одномерном приближении с постоянными граничными условиями

startsev01.wmf 0 < x < l, t > 0;

startsev02.wmf (1)

startsev03.wmf

startsev04.wmf

где c – концентрация влаги в единице объема образца; c0 – начальное значение концентрации влаги при t → 0; m0 – значение концентрации влаги на границах прямоугольной пластины; x – координата, вдоль которой диффундирует влага, мм; l – характерная длина диффузионного пути, мм; t – время, сут.; D – коэффициент диффузии, мм2/сут.; M(t) – влагосодержание модельного отрезка длины l в момент времени t.

Из уравнения (1) для каждого образца вычисляются параметры одномерной фиковской диффузии (предельное влагонасыщение, коэффициент диффузии):

startsev05.wmf (2)

где nk = p(2k + 1); М0 – предельное изменение массы; С0 = 0 – начальное изменение массы; dt = Dt/l2 – влажностной аналог числа Фурье, где D – коэффициент диффузии, мм2/сут; t – время увлажнения или сушки, сут; t - время смены вида формулы, составляет около 1 сут; l – длина диффузионного пути, мм, вычисляемая по формуле

startsev06.wmf (3)

где Li, Wi, hi – геометрические размеры i-го образца, мм.

Эти два основных диффузионных параметра характеризуют влагоперенос в древесине с коэффициентом детерминированности R2 > 0,96 [5], что позволяет моделировать влагоперенос при климатическом старении древесины вторым законом Фика.

Выполненные исследования показали, что кинетика влагонасыщения незащищенных и защищенных образцов древесины в исходном состоянии и на различных этапах климатического старения подобна. На рис. 1, 2 показаны примеры кинетических кривых сорбции влаги в незащищенные образцы осины и липы и аналогичные образцы с тремя защитными пленками: ЭД-20 + АФ-2, ЭД-20 + ПЭПА, ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс после 12 месяцев экспонирования в натурных климатических условиях Геленджика.

Информация о значениях коэффициента диффузии влаги и предельного влагонасыщения, вычисленных по формулам (2) индивидуально для каждого образца, после различных сроков экспонирования в климатических условиях Геленджика показана в табл. 1.

Из анализа этой таблицы следует, что после нанесения защитных покрытий коэффициент диффузии влаги в древесину возрастает, а предельное влагонасыщение уменьшается. Эта закономерность прослеживается и на различных этапах климатического старения древесины.

pic_48.tif

Рис. 1. Кинетика влагонасыщения образцов осины, экспонированных 12 месяцев в натурных климатических условиях Геленджика: ♦ – без защиты; ? – покрытие ЭД-20 + АФ-2; ? – покрытие ЭД-20 + ПЭПА; ? – покрытие ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

pic_49.tif

Рис. 2. Кинетика влагонасыщения образцов липы, экспонированных 12 месяцев в натурных климатических условиях Геленджика: ♦ – без защиты; ? – покрытие ЭД-20 + АФ-2; ? – покрытие ЭД-20 + ПЭПА; ? – покрытие ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

Поскольку показатели влагопереноса близки по своим значениям для различных сортов древесины, по данным табл. 1 можно оценить роль защитных покрытий по усредненным показателям m0 и D, представленным в табл. 2. После 12 месяцев климатического старения предельное влагосодержание незащищенной древесины остается на уровне исходных значений, а коэффициент диффузии влаги возрастает на 24 %. Значения D образцов древесины за этот период климатических испытаний также возрастают на 17–47 % при уменьшении на 3–7 % показателя m0 (табл. 2). Из всех вариантов полимерной защиты наилучший результат достигается при покрытии на основе эпоксидной смолы ЭД-20, отвержденной продуктом АФ-2. Среднее значение предельного влагосодержания образцов древесины, защищенных этим покрытием, после 12 месяцев экспонирования в открытых климатических условиях на 35 % меньше, чем для аналогичных образцов без защиты (табл. 2).

Таблица 1

Влияние защитных покрытий и продолжительности экспонирования в открытых условиях умеренно теплого климата Геленджика на коэффициент диффузии влаги и предельное влагонасыщение древесины

Сорт древесины

Состав защитного покрытия

Коэффициент диффузии влаги, Ds, мм2/сут (числитель) и предельное влагосодержание ws, % (знаменатель) за время экспонирования, месяцы

0

3

6

12

Береза

Без покрытия

1,7/21,1

1,6/22,4

1,4/22,8

1,7/23,3

ЭД-20 + АФ-2

3,2/16,1

3,8/16,8

4,0/17,6

4,2/16,1

ЭД-20 + ПЭПА

3,0/17,4

2,9/16,7

3,3/17,1

4,7/15,3

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

3,2/18,1

3,4/18,3

3,9/18,6

4,2/16,0

Дуб

Без покрытия

2,2/19,7

2,0/19,4

2,0/20,4

2,0/21,4

ЭД-20 + АФ-2

2,6/14,1

3,0/13,8

4,0/13,7

4,6/13,5

ЭД-20 + ПЭПА

3,0/14,3

2,5/14,4

3,0/14,4

3,0/13,4

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

2,7/17,0

2,8/16,6

3,0/16,0

3,0/16,2

ЭД-20 + Бутанол

2,1/17,8

2,6/17,3

2,6/17,8

2,7/17,8

ПН-609-21М

2,1/18,0

2,3/18,5

3,1/19,1

3,9/19,5

Клен

Без покрытия

1,4/22,6

1,5/19,8

1,9/18,7

2,1/20,8

ЭД-20 + АФ-2

3,1/15,3

3,2/15,1

3,4/14,5

3,6/13,9

ЭД-20 + ПЭПА

2,6/14,8

3,0/15,8

3,8/14,5

3,5/15,3

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

2,7/17,6

2,8/18,8

3,2/17,0

3,6/18,0

Липа

Без покрытия

1,5/22,5

1,7/20,1

2,0/19,2

2,3/19,5

ЭД-20 + АФ-2

2,5/15,4

2,3/14,6

4,9/13,0

6,8/12,6

ЭД-20 + ПЭПА

2,7/14,5

2,3/14,7

3,2/15,3

3,4/13,0

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

2,2/17,9

2,7/18,2

2,7/17,2

2,7/18,2

Осина

Без покрытия

1,3/19,8

1,6/17,6

2,1/18,6

2,2/19,5

ЭД-20 + АФ-2

2,9/12,5

2,9/13,5

3,7/12,9

4,5/12,9

ЭД-20 + ПЭПА

3,3/11,9

3,8/12,2

3,9/13,2

4,7/11,7

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

2,9/16,4

2,7/17,3

3,3/16,3

3,2/13,8

Сосна

Без покрытия

2,0/18,7

2,1/18,8

1,9/19,0

2,5/19,8

ЭД-20 + АФ-2

3,5/11,5

3,2/11,9

3,8/12,0

3,8/11,5

ЭД-20 + ПЭПА

3,6/13,6

3,0/14,2

3,3/16,6

5,1/11,6

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

4,3/13,2

3,6/12,8

5,7/13,5

3,5/15,5

ЭД-20 + Бутанол

3,5/18,0

3,6/18,2

3,6/17,2

3,5/14,7

ПН-609-21М

3,4/17,0

3,3/16,0

3,6/17,5

4,3/17,8

Ясень

Без покрытия

1,7/19,7

1,5/17,3

2,1/18,6

2,2/20,0

ЭД-20 + АФ-2

3,3/14,0

3,6/13,6

3,2/13,2

3,3/13,1

ЭД-20 + ПЭПА

2,9/15,3

2,3/14,8

3,2/15,1

5,0/13,6

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

3,1/16,9

2,5/17,8

3,9/16,9

4,1/16,6

Таблица 2

Влияние защитных покрытий и продолжительности экспонирования в открытых условиях умеренно теплого климата Геленджика на усредненные показатели влагопереноса для семи пород древесины

Состав защитного покрытия

Коэффициент диффузии влаги, Ds, мм2/сут (числитель) и предельное влагосодержание ws, % (знаменатель) за время экспонирования, месяцы

0

3

6

12

Без покрытия

1,7/20,6

1,8/19,3

1,9/19,6

2,1/20,6

ЭД-20 + АФ-2

3,0/14,1

3,1/14,2

3,9/13,8

4,4/13,4

ЭД-20 + ПЭПА

3,0/14,5

2,3/14,7

3,4/15,2

3,5/13,5

ЭД-20 + ПЭПА + Тефлекс

3,0/16,7

2,9/17,1

3,7/16,5

3,5/16,3

Таблица 3

Влияние продолжительности экспонирования на усредненные показатели влагопереноса семи пород древесины без покрытия

Показатели влагопереноса

Продолжительность экспонирования на открытом атмосферном стенде, мес.

0

1

3

6

12

Коэффициент диффузии влаги на стадии предварительной сушки, D0, мм2/сут

3,0

6,3

10,9

12,5

20,8

Влагосодержание перед началом сорбционных испытаний w0, %

6,4

7,3

7,1

9,7

5,9

Причиной обнаруженного уменьшения предельного влагосодержания защищенной древесины после различных сроков экспонирования в натурных климатических условиях является доотверждение эпоксидных покрытий. Для образцов древесины, изготовленных из одной породы и покрытых одинаковой модифицирующей системой, по данным динамической механической спектрометрии [2] наблюдается рост температуры стеклования покрытия с увеличением времени экспозиции на открытом атмосферном стенде и под навесом. Экспериментальное обоснование этого вывода рассмотрено в отдельной работе.

Оценка влагосодержания на стадии предварительной сушки, проведенная по методике, рассмотренной в работе [3], показала (табл. 3), что в образцах древесины в исходном состоянии и после различных периодов экспонирования удерживается от 6 до 10 % влаги. Значение этого показателя зависит от влажности воздуха и атмосферных осадков в момент съема и проведения контрольных взвешиваний образцов. При стабильном влагосодержании почти в 7 раз возрастает коэффициент диффузии влаги на стадии предварительной сушки. Следовательно, по мере увеличения продолжительности экспонирования образцы древесины высыхают быстрее, чем в исходном состоянии.

На основе полученных результатов проведено обобщенное моделирование этих параметров, учитывающее такие факторы, как толщину образца, породу дерева, вид покрытия, продолжительность и условия экспонирования. Были использованы три модели (4)?(6), использующие предположение об аддитивном влиянии перечисленных факторов на показатели влагопереноса:

startsev07.wmf

startsev08.wmf

ki = {t1, t2, t31, t32, h}; (4)

startsev09.wmf

startsev10.wmf

{ki, kj} = {h, t31, t32, t1, t2}; (5)

startsev11.wmf

startsev12.wmf

ki = {h, t1, t2, t31, t32}, (6)

где h – толщина образца; t1 – номер породы дерева (1–7) (табл. 1); t2 – номер вида покрытия (1–6) (табл. 1); t31 – срок экспонирования на открытом атмосферном стенде и под навесом в месяцах (0, 1, 3, 6, 12); t32 – тип экспонирования (0 – без экспонирования, 1 – на открытом атмосферном стенде, –1 – под навесом).

Таблица 4

Оценка результатов моделирования влагопереноса по моделям (2, 4–6)

Стадия влагопереноса

Модель

Ошибка модели, %

Коэффициент детерминированности R2

Предварительная сушка при температуре 60 °С и относительной влажности 0 %

(2)

0,03

0,99

(4)

0,9

0,75

(5)

0,4

0,89

(6)

1,0

0,72

Увлажнение предварительно высушенных образцов при температуре 60 °С и относительной влажности 100 %

(2)

1,1

0,97

(4)

8,1

0,75

(5)

4,5

0,86

(6)

3,8

0,88

Повторная сушка после завершения стадии увлажнения при температуре 60 °С и относительной влажности 0 %

(2)

0,2

0,99

(4)

2,6

0,84

(5)

1,5

0,91

(6)

2,5

0,85

В табл. 4 дана оценка результатов моделирования влагопереноса по формулам (2), (4)–(6) на стадиях предварительной сушки, увлажнения и последующей сушки. Приведенные в этой таблице оценки отличаются высокой достоверностью, так как при моделировании использовано достаточно большое количество измерений массы образцов (14600 измерений на стадиях предварительной сушки, увлажнения и повторной сушки).

Представленные модели (4–6) могут быть использованы для прогнозирования влагопереноса в древесине, обеспечивая коэффициент детерминированности в пределах от 0,72 до 0,91. Модель (5) обеспечивает наилучшее описание стадии сорбции. Модель (6) предпочтительна для характеристики стадий предварительной и повторной сушки.

Заключение

Исследована эффективность эпоксидных покрытий на предельное влагонасыщение и коэффициент диффузии влаги ясеня, березы бородавчатой, сосны обыкновенной, дуба черешчатого, липы, клена, осины при экспонировании в условиях умеренно теплого морского климата Геленджика.

Доказано, что на стадиях предварительной сушки, увлажнения и повторной сушки исходных и подвергнутых климатическому воздействию образцов без защиты и с защитными покрытиями на основе эпоксидной и полиэфирной смол влагоперенос моделируется вторым законом Фика.

После нанесения защитных покрытий коэффициент диффузии влаги в древесину возрастает, а предельное влагонасыщение уменьшается. Эта закономерность прослеживается и на различных этапах климатического старения древесины.

Из всех вариантов полимерной защиты наилучший результат достигается при покрытии на основе эпоксидной смолы ЭД-20, отвержденной продуктом АФ-2. Среднее значение предельного влагосодержания образцов древесины, защищенных этим покрытием, после 12 месяцев экспонирования в открытых климатических условиях на 35 % меньше, чем для аналогичных образцов без защиты.

В образцах древесины в исходном состоянии и после различных периодов экспонирования удерживается от 6 до 10 % влаги. Значение этого показателя зависит от влажности воздуха и атмосферных осадков в момент съема и проведения контрольных взвешиваний образцов. При стабильном влагосодержании почти в 7 раз возрастает коэффициент диффузии влаги на стадии предварительной сушки.

На основе полученных результатов проведено обобщенное моделирование влагопереноса в древесине, учитывающее толщину образцов, породу дерева, вид покрытия, продолжительность и условия экспонирования. Предложены три модели, основанные на аддитивном влиянии перечисленных факторов на показатели влагопереноса с коэффициентом детерминированности от 0,72 до 0,91.

Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 13-08-12097 «Исследование механизмов климатического старения и биодеструкции полимерных композитов на основе древесины методами динамической механической спектрометрии».


Библиографическая ссылка

Старцев О.В., Молоков М.В., Ерофеев В.Т., Кротов А.С., Гудожников С.С. ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ВЛАГОПЕРЕНОСА ДРЕВЕСИНЫ С ЗАЩИТНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 3-3. – С. 526-532;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40091 (дата обращения: 06.06.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074