Фізико-хімічні методи дослідження якості деревини

Курсова робота з дисципліни: «Фізико-хімічні методи дослідження сировини і матеріалів»

на тему: «Фізико-хімічні методи дослідження якості деревини»

Вінниця 2014

ЗМІСТ Вступ

1. Огляд літератури

1.1 Значення деревини в народному господарстві

1.2 Будова деревини

1.3 Породи деревини

1.4 Вади деревини

2. Фізичні та хімічні властивості деревини

2.1 Фізичні властивості деревини

2.2 Хімічні властивості деревини

3. Фізико-хімічні методи дослідження деревини

3.1 Термогравіметричний метод вимірювання вологості деревини

3.2 Метод дослідження на міцність при стиску

3.3 Метод ІЧ-спектроскопії

3.4 Метод термохімічної спектроскопії

3.5 Калориметричний метод Висновки і пропозиції

Список використаних джерел

ВСТУП

Відомо, що деревина є важливим ресурсом для життєдіяльності людини. Її використовують у багатьох сферах життя: як сировина для будівництва, виготовлення меблів, виробництва паперової пульпи тощо. Деревину застосовували ще з давніх часів для різних потреб: вона сприяла освоєнню вогню, розвитку писемності, судноплавства, будівництва, з неї виготовляли предмети побуту та культури.

Деревина — це внутрішня частина дерева, що знаходиться під корою. Являється відновлюваним ресурсом. До складу деревини входить низка складних органічних сполук. Повний хімічний аналіз показує, що вона містить близько 50% вуглецю, 6% водню і 44% кисню. Стінка клітини має сітчасту структуру із взаємопов'язаних ланцюгових молекул целюлози, наповнену іншими вуглеводнями (геміцелюлозами), а також лігніном і різними екстрактивними речовинами. Цементуючою міжклітинною речовиною є в основному кальцію і магнію, а в клітинних порожнинах, особливо в деревині листяних порід, накопичуються смоли, камеді, жири, таніни, пігменти і мінеральні речовини. До складу деревини входить 45−60% целюлози, 15−35% лігніну і 15−25% геміцелюлози. Кількість чужорідних, екстрактивних речовин значною мірою залежить від породи і є неоднаковим в заболоні і ядрі деревини. Вміст мінеральних речовин (зольність) деревини зазвичай значно менший за 1%. В сучасному світі дерево є необхідним матеріалом для виготовлення різноманітних товарів. Тому важливо знати фізико-хімічні характеристики, які основними факторами в доцільності використання деревини. Основними її властивостями є:

§ Механіко-технологічні: міцність, твердість, питома в’язкість, експлуатаційні характеристики, технологічні характеристики, зносостійкість, здатність утримувати кріплення, гнучкість;

§ Фізичні: зовнішній вигляд (текстура, блиск, колір), вологість (усушка, жолоблення, водопоглинення, гігроскопічність, щільність), теплові (теплопровідність, теплоємність), звукові (акустичний опір, звукопровідність), електричні (діелектричні властивості, електропровідність, електрична міцність);

§ Хімічні властивості.

На даний момент тема курсової роботи є актуальною, тому що в світі завжди постає проблема ефективного та доцільного використання ресурсів, зокрема деревини.

Метою даної курсової роботи є вивчення та обґрунтування фізико-хімічних методів дослідження якості деревини та її властивостей.

В даній курсовій роботі описані такі фізико-хімічні методи дослідження: термогравіметричний метод вимірювання вологості деревини, метод дослідження на міцність при стиску, метод ІЧ-спектроскопії, метод термохімічної спектроскопії, калориметричний метод. Також описані фізичні та хімічні властивості деревини, які безпосередньо впливають на подальше застосування матеріалу.

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Значення деревини в народному господарстві

Деревина є дуже цінним будівельним матеріалом, який використовують у житловому і промисловому виробництві та залізничному транспорті, в суднобудуванні в сільському господарстві, для виробництва предметів широкого вжитку тощо. За універсальністю застосування з деревиною не може порівнятися жоден інший матеріал. За допомогою хімічної технології з дерева одержують деревний спирт, скипидар, оцет, смоли, дубителі, кислоти, ліки, вітаміни, штучний шовк, папір — загалом близько двадцяти тисяч різноманітних виробів і речовин. Перевагами деревини, порівняно з іншими матеріалами, є порівняно проста й легка обробка, добра формоутворюваність, невелика вартість, відносна міцність і легкість, низька теплопровідність, гарний зовнішній вигляд обробленої поверхні [4, с. 51]. Недоліками деревини є схильність до загнивання, займистість, гігроскопічність, розбухання, усихання тощо, проте за допомогою спеціальної обробки, натурального і штучного сушіння, просочування антисептиками їм можна запобігти [3, c. 23].

1.2 Будова деревини

Деревина складається з елементарних клітин, різноманітних за розмірами та формою, міцно зв’язаних між собою. Вона має шарово-волокнисту будову. Уявлення про неї можна скласти, розглянувши три головні розрізи стовбура: поперечний, чи торцевий — площина розрізу перпендикулярна осі стовбура; радіальний — вздовж стовбура через середину; тангентальний — вздовж стовбура на деякій відстані від серцевини.

Рис. 1.1. Поперечний розріз стовбура: 1 — серцевина, 2 — серцевинні промені, 3 — ядро, 4 — зовнішній шар, 5 — луб, 6 — заболонь, 7 — камбій, 8 — річний шар

На поперечному розрізі (Рис. 1.1) серцевина має вигляд темної (чи іншого кольору) плями діаметром 2−5 мм. Вона складається з м’яких розрихлених тканин і швидко загниває. На радіальному розрізі серцевина має вигляд прямої чи вигнутої вузької стяжки. Кора вкриває дерево і складається із зовнішнього шару і внутрішнього шару — лубу, який проводить воду з органічними речовинами, виробленими в листках, вниз стовбуром. Кора охороняє дерево від механічних пошкоджень, різких змін температури та інших шкідливих впливів довкілля. Між корою та деревиною знаходиться дуже тонкий, не видимий неозброєним оком, шар — камбій. Він складається з живих клітин, які протягом усього періоду росту відкладають елементи (клітини) в бік деревини та кори. Завдяки цьому дерево росте [16, с. 41].

Деревина місцевого походження має, переважно, світлий колір. При цьому в одних порід уся маса деревини — одного кольору (вільха, береза, граб тощо), у інших центральна частина має темніший відтінок (дуб, модрина, сосна тощо). Темна частина стовбура називається ядром, а світла периферійна — заболонню. У деяких порід центральна частина стовбура дерева, що росте, відрізняється від периферійної меншим вмістом води. Така деревина зветься зрілою. Породи, що мають ядро, звуться ядровими. Усі інші, що не мають відмінностей між центральною та периферійною частинами стовбура ні за кольором, ні за вмістом води, звуться заболонними (без'ядровими) [2, с. 44].

На поперечному розрізі стовбура знаходяться концентричні шари, вони розміщені навколо серцевини. Ці утворення називаються річними шарами. Вони — щорічний приріст деревини. На радіальному розрізі річні шари мають вигляд поздовжніх стяжок, на тангентальному — звивистих конусоподібних ліній. Річний шар складається з ранньої та пізньої деревини. Відмінність між ранньою та пізньою деревиною чітко виражена у хвойних та деяких листяних породах (дуба, ясеня, карачага). Від кількості пізньої деревини залежить густина й механічні властивості [14−15].

На поперечному розрізі деяких порід неозброєним оком можна помітити світлі, часто блискучі, спрямовані від серцевини до кори, лінії - серцевинні промені. Вони характерні для усіх порід, але найкраще помітні у ду6а, бука, платана. На радіальному розрізі серцевинні промені мають вигляд блискучих широких чи вузьких, коротких чи довгих стяжок або рисочок; на тангентальному вони схожі на чечевички чи мають веретеноподібну форму. Серцевинні промені на радіальному розрізі утворюють гарний візерунок, що має практичне значення при виборі деревини [5, с. 36].

1.3 Породи деревини

Породи дерев поділяються на хвойні і листяні. Хвойні дерева становлять переважну частину лісових багатств нашої країни. Найпоширенішими хвойними породами є сосна, ялина, модрина, кедр і ялиця. Деревина сосни завдяки її фізичним, механічним і технічним властивостям широко застосовується в будівництві та меблевій промисловості.

Ялина менш поширена і займає після сосни друге місце. Своїми якостями поступається перед сосною; з неї виготовляють маловідповідальні вироби. Деревина модрини червоно-бурого кольору, стійка проти загнивання, довговічна, але має схильність до розтріскування. У віці 150−160 років сягає 40 м висоти і 40−50 см у діаметрі. Застосовують її у відповідальних спорудах, в місцях, де вона росте, — і в житловому будівництві [23, с. 130].

Деревина кедра досить міцна, порівняно легка, м’яка, має гарний колір і текстуру, добре обробляється. Найкращий вік для використання 200−250 років. Застосовується в столярно-будівельному і меблевому виробництвах, а в місцях зростання і як домобудівний матеріал.

Деревина ялиці білого кольору з слабким кремовим відтінком. У ній немає смоляних ходів і смолистих речовин, тому вона малостійка проти загнивання, порівняно швидко втрачає свою, міцність і малопридатна як будівельний матеріал. З неї виготовляють ящики, продуктову тару, виробляють папір тощо. Найкращий вік для використання 100−120 років [25, с. 40].

Своїми якостями, особливостями і різноманітністю застосування деревина листяних порід значно перевищує деревину хвойних порід. До листяних порід, що застосовуються в столярно-будівельному і меблевому виробництві, належать дуб, бук, береза, вільха, осика, липа, тополя. Деревина дуба відзначається великою міцністю, твердістю і стійкістю проти загнивання, має гарну текстуру і колір. Застосовують її для відповідальних деталей споруд, у меблевому виробництві тощо. Найкращий вік дуба для використання — 80−100 років. Деревина бука має білий колір з жовтувато-червоним відтінком, високу міцність, гарну текстуру, добре піддається гнуттю й обробці. Застосовується в меблевому виробництві, в машиноі приладобудуванні, у виробництві паркету, шевських колодок, креслярського приладдя та іншому. Кращий вік для використання — 100−150 років [24, с. 61].

Береза має білу з блідо-рожевим відтінком деревину, досить однорідну і міцну, яка добре піддається обробці та оздобленню під цінні породи. Істотний недолік берези — швидке загнивання у вологому середовищі. Застосовується для виготовлення фанери, токарних виробів, спортивного приладдя. Для художніх виробів використовують карельську березу. Найкращий вік для використання — 50−70 років [20, с. 180].

У вільхи деревина біла (вона швидко червоніє на повітрі), м’яка й легка, стійка проти вологи. З неї виробляють тару, фанеру тощо. Промисловий вік — 50 років.

Деревина осики білого кольору з зеленуватим відтінком, легка і м’яка, швидко загниває в вологому середовищі. Застосовується у виробництві сірників, фанери, тари, драні тощо. Промисловий вік — 40−60 років.

Деревина липи білого кольору з легким блідо-рожевим відтінком, м’яка, легка, однорідної будови. Добре розколюється, ріжеться, майже не тріскається і не жолобиться. Йде на виготовлення тари під харчові продукти, ливарних моделей, креслярських дощок, олівців, дитячих іграшок і багатьох інших виробів. Промисловий вік — 40−50 років, сягає віку 300−400 років і більше. Тополя має заболонь білого кольору, а ядро ясно-буре, іноді з жовтуватим відливом. Деревина м’яка, легка, мало усихає і мало жолобиться. Найбільше промислове значення має чорна тополя — осокір і біла — срібляста. Деревину осокора застосовують у меблевому виробництві під фанерування, а сріблястої - у меблевому виробництві як у масиві, так і у вигляді облицювальної фанери. Після обробки срібляста тополя набуває гарного сріблясто-переливчастого кольору

Серед великої кількості деревних порід, крім промислових, розрізняють ще такі цінні, як горіх, червоне дерево, амарант, палісандр та ін., що йдуть на виготовлення художніх виробів, музичних інструментів і оздоблення високоякісних меблів [8, с. 94].

1.4 Вади деревини

Вади деревини — недоліки окремих її ділянок, що знижують якість і обмежують можливість використання. Розрізняють їх по групах, видах та різновидах.

Для оцінки якості деревини всі її вади підлягають точному обліку і кількісному вимірюванню.

Сучки — частини гілок, замкнені в деревині стовбура. Затрудняють обробку матеріалу, викликають затуплення і пошкодження інструменту.

Тріщини — розриви деревини вздовж волокон. Порушують цілісність деревини, знижують її. Тріщини розрізняють по положенні в сортименті (бокові, торцеві); по глибині (не скрізні, скрізні); по ширині (замкнуті, розходженні).

Вади форми стовбура являють собою різні відхилення розмірів стовбура (зменшення або збільшення діаметру, викривлення по довжині, різке місцеве потовщення та ін.). Вони збільшують кількість відходів при обробці деревини, затрудняють використання по призначенню круглих лісоматеріалів [26, с. 140].

Вади структури деревини являють собою різні відхилення в напрямку волокон від повздовжньої осі матеріалів, у зміні річних шарів, заростаючі рани, заглиблення, накопичення смоли та ін. Грибкові пошкодження являють собою ненормальну забарвлення ділянки деревини. Плями, забарвлення та буруватість підвищують водопроникність деревини, гнилі та дупла роблять її технічно непридатною. Біологічні пошкодження являють собою отвори і ходи, що виникають в результаті життєдіяльності комах, паразитуючих рослин, птахів. По здутті можна визначити наявність у деревині інородних включень (дроту, цвяхів та ін.). У випадку їх наявності вони можуть бути причиною аварії [29, с. 20].

2. ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДЕРЕВИНИ

2.1 Фізичні властивості деревини

Властивості деревини, що виявляються при дослідженнях, що не приводять до зміни хімічного складу, називаються фізичними.

Зовнішній вигляд деревини. Він характеризується наступними властивостями: кольором, блиском, текстурою і макроструктурою [19, с. 12].

Під кольором деревини розуміють визначене зорове відчуття, що залежить, в основному, від спектрального складу відбитого нею світлового потоку. Колір — одна з найважливіших характеристик зовнішнього вигляду деревини. Його враховують при виборі порід для внутрішньої обробки приміщень, виготовленні меблів, музичних інструментів, художніх виробів і т.д.

Забарвлення деревини залежить від породи, віку дерева, клімату району виростання. Деревина може змінювати колір при витримці під впливом повітря і світла, при поразці грибами, а так само при тривалому перебуванні під водою. Проте, колір багатьох порід настільки характерний, що може служити одним з ознак при їхньому розпізнаванні [30, с. 23].

Блиск — це здатність деревини направлено відбивати світловий потік. Найбільшим блиском з вітчизняних порід відрізняється деревина дуба, бука, білої акації, оксамитного дерева; з іноземних — деревина атласного дерева і махагони (червоного дерева).

Текстурою називається малюнок, що утвориться на поверхні деревини внаслідок перерізання анатомічних елементів (річних шарів, серцевинних променів, судин). Для оцінки якості деревини по зовнішньому вигляді використовують такі характеристики, як ширина річних шарів і зміст пізньої деревини. Ширина річних шарів — число шарів, що приходяться на 1 см відрізка, відміряного по радіальному напрямку на торцевій поверхні зразка.

Рис. 2.1. Текстура деревини сосни на трьох розрізах: а — на поперечному; б — радіальному; у — тангентальному Запах деревини залежить від кількості ефірних олій, смол і дубильних речовин. Деревина тільки що зрубаного чи дерева відразу після її механічної обробки має сильний запах, у хвойних порід більш сильний запах, чим у деревини листяних порід [17, c. 88].

Об'ємну масу порід деревини порівнюють між собою на зразках вологістю 15% (стандартна вологість). Деревину по об'ємній масі поділяють на групи:

— дуже легка (0,45 г/см³);

— легка (0,45…0,60 г/см³);

— середньоважка (0,61…0,75 г/см³):

— важка (0,76…0,90 г/см³);

— дуже важка деревина (більш 0,90 г/см³).

Вологість деревини і властивості, зв’язані з її зміною. Для кількісної характеристики вмісту води в деревині використовують показник — вологість. Під вологістю деревини розуміють виражене у відсотках відношення маси води до маси сухої деревини:

(2.1)

де m — початкова маса зразка деревини в грамах;

m₀ — маса зразка абсолютно сухої деревини в грамах.

Розрізняють дві форми води, що міститься в деревині: зв’язану і вільну. Зв’язана вода знаходитися в клітинних стінках, а вільна міститься в порожнинах кліток і міжклітинних просторів. Зв’язана вода утримується в основному фізико-хімічними зв’язками, зміна її змісту істотно відбивається на більшості властивостей деревини. Вільна вода, утримувана тільки механічними зв’язками, віддаляється легше, ніж зв’язана вода, і впливає на властивості деревини.

При дослідженнях з метою визначення показників фізико-механічних властивостей деревини її кондиціонують, приводячи до нормалізованої вологості. Якщо немає особливих приміток, то показник дорівнює 12%.

На практиці по ступені вологості розрізняють деревину:

— мокру, W > 100%, тривалий час знаходилася у воді;

— свіжезрублену, W = 50−100%, що зберегла вологість зростаючого дерева;

— повітряно-суху, W = 15−20%, витриману на відкритому повітрі;

— кімнатно-суху, W = 8−12%, довгий час знаходилася в опалювальному приміщенні;

— абсолютну-суху, W = 0, висушену при температурі t=103±2°C.

Усушка. Зменшення лінійних розмірів і обсягу деревини при видаленні з її зв’язаної води називається усушкою. Видалення вільної води не викликає усушки. Чим більше клітинних стінок в одиниця об'єму деревини, тим більше в ній зв’язаної води і вище усушка.

Усушка деревини не однакова в різних напрямках: у тангенціальному напрямку в 1,5 — 2 рази більше, ніж у радіальному. Під повною усушкою, чи максимальною усушкою B_max розуміють зменшення лінійних розмірів і обсягу деревини при видаленні всієї кількості зв’язаної води [28, с. 134].

Формула для обчислення повної усушки у відсотках має вид:

(2.2)

де a_max — розмір (обсяг) зразка відповідно при вологості, рівної чи вище межі насичення клітинних стінок, мм³;

a_min — розмір (обсяг) зразка відповідно при вологості в абсолютному-сухому стані, мм³.

Повна лінійна усушка деревини найбільш розповсюджених вітчизняних порід у тангенціальному напрямку складає 8−10%, у радіальному 3−7%, а уздовж волокон 0,1−0,3%. Повна об'ємна усушка знаходиться в межах 11−17%. Усушка деревини враховується при розпилюванні колод на дошки (припуски на усадку), при сушінні пиломатеріалів і т.д.

Внутрішні напруження виникають у деревині без участі зовнішніх навантажень. Вони утворяться в результаті неоднакових змін обсягу тіла при сушінні - сушильні напруги, просоченню й у процесі росту дерева. Повні сушильні напруги зручно як сукупність двох складових — вологістні і залишкових напруг.

Вологістні напруги викликані неоднорідною усушкою матеріалу. У поверхневих зонах дошки, де вологість нижче, ніж у центрі, через стиснення вільної усушки виникають напруги, що розтягують, а усередині дошки — стискаючі. Залишкові напруги обумовлені появою в деревині неоднорідних залишкових деформацій. Залишкові напруги на відміну від вологістних не зникають при вирівнюванні вологості в дошці і спостерігаються як під час сушіння, так і після її повного завершення.

Якщо напруги, що розтягують, досягають межі міцності деревини на розтягання поперек волокон, з’являються тріщини. Так з’являються поверхневі тріщини на початку сушіння і внутрішні наприкінці сушіння.

Нерівномірна усушка деревини по різних напрямках викликає деформації і дефекти дерев’яних деталей і конструкцій. Через усушку і розбухання дерев’яні конструкції деформуються і можуть стати цілком непридатними. От чому дерев’яні конструкції виготовляють зі стандартно-сухої деревини [26, с. 78].

Рис. 2.2. Усушка деревини в різних частинах стовбура Короблення. Зміна форми пиломатеріалів і заготовок при сушінні, а також випиловці і неправильному збереженні називається коробленням. Найчастіше короблення відбувається через розрізняння усушки по різних структурних напрямках. Розрізняють поперечну і подовжню покоробленність.

Рис. 2.3. Усушка і короблення граней: I — грані деревини, що не піддавалися сушінню; II — грані висушеної деревини; а, б, в, г — схеми усушки граней деревини в залежності від їх місця в стволі

Короблення може виникати при механічній обробці сухих пиломатеріалів: при несиметричному струганні, ребровому розподілі через порушення рівноваги залишкових напруг.

Вологовбирання. Здатність деревини внаслідок її гігроскопічності поглинати вологу (пари води) з навколишнього повітря називається вологовбиранням. Вологовбирання практично не залежить від породи. Здатність до поглинання вологи є негативною властивістю деревини. Суха деревина, поміщена в дуже вологе середовище, сильно воложиться, що погіршує її фізико-механічні характеристики, знижує біостійкість і т.д. Щоб захистити деревину від впливу вологого повітря, поверхні дерев’яних деталей і виробів покривають різними лакофарбовими і плівковими матеріалами.

Розбухання. Збільшення лінійних розмірів і обсягу деревини при підвищенні в ній вмісту зв’язаної води називається розбуханням. Розбухання відбувається при витримуванні деревини у вологому повітрі чи воді. Це — властивість, зворотна усушці, і підкоряється, в основному, тим же закономірностям. Так само, як і усушка, найбільше розбухання деревини спостерігається в тангенціальному напрямку поперек волокон, а найменше — уздовж волокон. Розбухання — негативна властивість деревини, але в деяких випадках воно приносить користь, забезпечуючи щільність з'єднань (у бочках, чанах, судах і т.д.) [11, с. 256].

Водопоглинення. Здатність деревини збільшувати свою вологість при безпосередньому контакті з капельнорідкою водою називається водопоглиненням. Максимальна вологість, який досягає занурена у воду деревина, складається з граничної кількості зв’язаної води і найбільшої кількості вільної води. Очевидно, що кількість вільної води залежить від обсягу порожнин у деревині, тому, чим більше щільність деревини. Тим менше її вологість, що характеризує максимальне водопоглинення.

Здатність деревини поглинати воду, а також інші рідини має значення в процесах варіння деревини для одержання целюлози, при просоченні її розчинами антисептиків і антипіринів, при сплаві лісоматеріалів і в інших випадках. Щільність. Ця властивість характеризується масою одиниця об'єму матеріалу, і має розмірність у кг/м³ чи г/см³. Густина деревинної речовини, тобто щільність матеріалу клітинних стінок, дорівнює для всіх порід 1,53 г/см³, оскільки однаковий хімічний склад клітинних стінок деревини.

Щільність деревини менше густини деревинної речовини, тому що вона включає порожнечі (порожнини кліток і міжклітинні простори, заповненні повітрям). Відносний обсяг порожнин, заповнених повітрям, характеризує пористість деревини. Пористість деревини коливається в межах від 40 до 80% і визначається за формулою:

(2.3)

де v₀ — обсяг зразка

v_д.р. — обсяг деревинної речовини Базисна щільність деревини виражається відношенням маси абсолютно сухого зразка до його обсягу при вологості, рівної чи вище межі насичення клітинних стінок. Цей основний показник щільності, що не залежить від вологості, широко використовується для оцінки якості сировини в деревообробці, целюлозно-паперовій промисловості й в інших випадках.

Величина щільності деревини змінюється в дуже широких межах. Серед порід деревину з дуже малою щільністю має ялиця сибірська (345), верба біла (415), а найбільш щільну — самшит (1040), ядро фісташка (1100). Діапазон зміни щільності деревини іноземних порід ширше: від 100−130 (бальза) до 1300 (бакаут). Значення щільності тут і нижче дані в кілограмах на метр кубічний (кг/м³). По щільності деревини при 12% вологості породи поділяють на 3 групи: з малої (Р₁₂ < 540), середньої (550 < P₁₂ < 740) і високої (P₁₂ > 740) щільністю деревини [21, с. 50]. Проникність характеризує здатність деревини пропускати чи рідини гази під тиском. Водопроникність деревини уздовж волокон значно більше, ніж поперек волокон, при цьому в деревини листяних порід вона в кілька разів більше, ніж у хвойних. Теплові властивості. До теплових властивостей відносяться теплоємність, теплопровідність, температуропровідність і теплове розширення. Показником здатності деревини акумулювати тепло є питома теплоємність С, що представляє собою кількість теплоти, необхідна для того щоб нагріти 1 кг маси деревини на 1 С.

Теплопровідність — властивість, що характеризує інтенсивність переносу тепла в матеріалі. Температуропровідність характеризує здатність деревини вирівнювати температуру по обсягу. Теплове розширення — здатність деревини збільшувати лінійні розміри й обсяг при нагріванні. Коефіцієнт теплового розширення деревини в 3−10 разів менше, ніж у металу, бетону, скла.

Електричні властивості. Електропровідність — здатність деревини проводити електричний струм, що знаходиться в зворотній залежності від електричного опору.

Суха деревина відноситься до діелектриків. З підвищенням вологості деревини опір зменшується. Особливо різке зниження (у десятки мільйонів разів) опору спостерігається при збільшенні вмісту зв’язаної води. Подальше збільшення вологості викликає падіння опору лише в десятки чи сотні разів. Цим пояснюється зниження точності визначення вологості електровологомірами в області, вище W_пн.

Електрична міцність — здатність деревини протистояти пробою, тобто зниженню опору при великих напругах. Діелектричні властивості характеризують поводження деревини в перемінному електричному полі. Показники: діелектрична проникність і тангенс кута втрат.

Діелектрична проникність дорівнює відношенню ємності конденсатора з прокладкою з деревини до ємності конденсатора з повітряним зазором між електродами. Цей показник для сухої деревини дорівнює 2−3.

Тангенс кута діелектричних утрат характеризує частку підведеної потужності струму, що поглинається деревиною і перетворюється в тепло. П'єзоелектричні властивості виявляються в тім, що під дією механічних зусиль на поверхні деревини виникають електричні заряди.

Звукові властивості. Одне з цих властивостей — звукопровідність, показником якої є швидкість звуку. Інший важливий показник, що характеризує здатність деревини відбивати і проводити звук — акустичний опір.

Властивості деревини, що виявляються під впливом електромагнітних випромінювань. Поверхневі зони деревини можуть ефективно прогріватися за допомогою невидимих інфрачервоних променів. Значно глибше — до 10−15 см — проникають у деревину промені видимого світла. По характері відображення світлових променів можна оцінювати наявність видимих пороків деревини. Світлове лазерне випромінювання пропалює деревину й останнім часом успішно використовується для випалювання деталей складної конфігурації.

Ультрафіолетові промені проникають набагато гірше в деревину, але викликають світіння — люмінесценцію, що може бути використане для визначення якості деревини. Рентгенівські промені використовуються для визначення особливостей тонкої будівлі деревини, виявлення схованих пороків і в інших випадках.

З ядерних випромінювань можна відзначити бета-випромінювання, що використовуються при денсиметрії зростаючого дерева. Набагато ширше можуть застосуються гамма-випромінювання, що глибше проникають у деревину і використовуються при визначенні її щільності, виявленні гнилизни [22, с. 103].

2.2 Хімічні властивості деревини Деревина складається переважно з органічних речовин (99% загальної маси). Елементний хімічний склад деревини різних порід практично однаковий. Абсолютно суха деревина в середньому містить 49% вуглецю, 44% кисню, 6% водню, 0,1−0,3% азоту. При спалюванні деревини залишається її неорганічна частина — зола. До складу золи входять кальцій, калій, натрій, магній і інші елементи. Перераховані хімічні елементи утворюють основні органічні речовини: целюлозу, лігнін і геміцелюлози [7, c. 67].

Целюлоза — природний полімер, полісахарид з довгою ланцюговою молекулою. Формула целюлози (C₆H₁₀O₅)n, де n — ступінь полімеризації, рівна 6000−14 000. Це дуже стійка речовина, нерозчинна у воді і звичайних органічних розчинниках (спирті, ефірі й ін.), білого кольору. Пучки макромолекул целюлози — найтонші волоконця називаються мікрофібрилами. Вони утворюють целюлозний каркас стінки клітки. Мікрофібрили орієнтовані переважно уздовж довгої осі клітки, між ними знаходиться лігнін, гемоцелюлози, а також вода.

Лігнін — полімер ароматичної природи (поліфенол) складної будови; містить більше вуглецю і менше кисню, чим целюлоза. Саме з цією речовиною зв’язаний процес одерев’яніння молодої клітинної стінки. Лігнін хімічно нестійкий, легко окисляється, взаємодіє з хлором, розчиняється при нагріванні в лугах, водяних розчинах сірчистої кислоти і її кислих солей.

Геміцелюлози — група полісахаридів, у яку входять пентозани (C₅H₈O₄)n і гексозани (C₆H₁₀O₅)n. Формула гексозанів на перший погляд ідентична формулі целюлози. Однак ступінь полімеризації у всіх геміцелюлоз набагато менша і складає 60−200. Це свідчить про більш короткі ланцюжки молекул і меншу стійкість цих речовин у порівнянні з целюлозою.

Крім основних органічних речовин, у деревині міститься порівняно невелика кількість екстрактивних речовин (таннідів, смол, камедей, пектинів, жирів і ін.), розчинних у воді, спирті чи ефірі [12, с. 97].

Як сировину деревину споживають три галузі хімічної промисловості: целюлозно-паперова, гідролізна і лісохімічна. Целюлозно-паперова промисловість виробляє целюлозу для виготовлення паперу, картону і цілого ряду целюлозних матеріалів (похідних целюлози), а також деревоволокнистих плит. Ґрунтуючись на високій хімічній стійкості целюлози, шляхом впливу різних агентів на деревину переводять у розчин супровідні її менш стійкі речовини. Розрізняють три групи способів промислового одержання целюлози: кислотні, лужні і нейтральні. Вибір того чи іншого способу залежить в основному від породного складу деревної сировини, що переробляється.

До групи кислотних способів відносяться сульфітний і бісульфітний. При сульфітному способі як сировина використовується деревина малосмолистих хвойних (ялини, ялиці) і ряду листяних порід. Бісульфітний спосіб дозволяє використовувати для одержання целюлози деревину практично будь-яких порід.

До групи лужних способів відносяться сульфатний і нейтральний. Найбільше поширення одержав сульфатний метод. Варіння тріски ведеться в розчині їдкого натру і сірчистого натрію. Сульфатний спосіб дозволяє одержувати більш міцні волокна. До достоїнств цього способу відноситься менша тривалість варкі, а також можливість здійснювати процес за замкнутою схемою (шляхом регенерації лугу), що зменшує небезпеку забруднення водойм. Цим способом одержують більш половини виробленої у світі целюлози, тому що він дозволяє використовувати деревину будь-яких порід [13, с. 40].

Нейтральний — спосіб одержання целюлози з деревини листяних порід, при якому варильний розчин містить речовини (моносульфіти), що мають реакцію, близьку до нейтрального.

Широке застосування знаходять похідні целюлози. При взаємодії целюлози з розчинами їдкого натру, азотною і сарною кислот чи оцтовим ангідридом можна одержати штучні тканини (штапель, віскозний і ацетатний шовк), кордонне волокно для виготовлення автомобільних і авіаційних шин, целофан, целулоїд, кіноі фотоплівки, нітролаки, нітроклеї й інші продукти.

При взаємодії водяних розчинів кислот з деревиною відбувається гідроліз целюлози і геміцелюлоз, що перетворюються в прості цукри (глюкозу, ксилозу й інші). Ці цукри можна піддавати хімічній переробці, одержуючи ксиліт, сорбіт і інші продукти. Однак гідролізна промисловість в основному орієнтується на наступну біохімічну переробку цукрів.

Реакція гідролізу відбувається при досить високій температурі (150−190°С). При охолодженні гідролізату (водяного розчину простих цукрів) утворяться пари, з конденсату яких одержують фурфурол. Він застосовується у виробництві пластмас, синтетичних волокон (нейлону), смол, виготовлення медичних препаратів (фурациліну й ін.), барвників і інших продуктів.

При подальшій переробці гідролізату одержують кормові дріжджі, етиловий спирт (етанол), вуглекислий газ. Етанол одержують тільки з хвойної деревини, використовують як розчинник і, усе більше, як паливо.

При нагріванні деревини без доступу повітря відбувається піроліз. У результаті піролізу утворюються вугілля, жижка і гази.

Деревне вугілля, що відрізняється високою сорбційною здатністю, застосовують для очищення промислових розчинів, стічних вод, у виробництві цукру, при виплавці кольорових металів, при виготовленні медичних препаратів, напівпровідників, електродів і для багатьох інших цілей.

Жижка — розчин продуктів розкладання, використовується у виробництві антисептиків, фенолів, оцтової кислоти, метилового спирту, ацетону. Гази, що утворяться при піролізі деревини, використовують як паливо.

Сировиною для лісохімічної промисловості крім низькоякісної деревини є екстрактивні речовини. Видобуток смоли (живиці) із хвойних порід досягається шляхом підсочки. Для цього на поверхні стовбурів сосни чи кедра восени наносять спеціальну рану (карру), з якої живиця витікає в конічний приймач. Переробка живиці здійснюється на лісохімічних підприємствах, де відбувається відгін з водяною парою летучої частини — скипидару й уварювання каніфолі. Скипидар широко застосовується як розчинник у лакофарбовій промисловості для виробництва синтетичної камфори. Камфора використовується у виробництві целюлози, лаків і кіноплівки. Каніфоль застосовують у виробництві каучуку, папера, нітролаків, електроізоляційних матеріалів і ін.

Дубильні речовини (таніди), використовувані при виробленні шкір одержують з кори верби, ялини, модрини, ялиці, а також з деревини дуба і каштана [27, с. 75].

3. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ДЕРЕВИНИ

3.1 Термогравіметричний метод дослідження вологості

Методи вимірювання вологості прийнято поділяти на прямі та непрямі. У прямих проводиться безпосередній поділ матеріалу на суху речовину та вологу. У непрямих вимірюються величини, функціонально пов’язані з вологістю.

При виборі та підготовці зразків у даній роботі використаний найбільш поширений прямий метод — метод висушування (термогравіметричний), згідно з яким зразок висушується до постійної ваги. Прискорене висушування проводиться у муфелі з регульованою температурою при 130 С протягом 40 хвилин.

Опис методу вимірювань. Прилад складається з блока вимірювання та датчика, що обладнаний кабелем з розніманням. Блок вимірювання містить генератор гармонійних коливань, що живить урівноважений міст. Одне з плечей моста навантажено ємнісним датчиком, складеним з двох розташованих концентрично електродів — внутрішнього, виконаного у вигляді диска, та зовнішнього, кільцевого.

Робоча поверхня датчика, яка стискається з досліджуваним матеріалом, покрита шаром діелектрика.

Останній сигнал з моста надходить на операційний посилювач, зібраний на мікросхемі 140УД608, і далі - на блок відображення інформації, яка виводиться на цифровий індикатор з безпосереднім відліком значень вологості деревини. Діапазон вимірювання вологості становить 7−100%, точність 2% [9, с. 220].

Порядок виконання дослідження:

1. З'єднати датчик з приладом.

2. Перемикач виду деревини встановити на потрібний сорт деревини.

3. При ненавантаженому датчику (робоча площа датчика, що покрита коричневим діелектриком, направлена вгору) увімкнути прилад і ручкою «Уст. 0» добитися нульового показника на індикаторі.

4. З'єднати робочу площу датчика з деревиною і при натиснутій кнопці вмикання приладу відмітити на цифровому індикаторі кількість вологості.

3.2 Метод дослідження на міцність при стиску Через опір деревини зовнішнім навантаженням у ній виникають внутрішні сили. Ці сили, віднесені до одиниці площі перетину (1 cм²) називаються напругами. Максимальна напруга, що передує руйнуванню тіла, називають межею міцності.

Межа міцності визначають на малих, чистих і не мають пороках зразках у лабораторіях на іспитових машинах. Ці зразки мають базисний перетин з розмірами 20 * 20 мм і повинні включати не менш 4−5 річних шарів. Деякі види іспитів роблять на зразках, перетин яких відрізняється від зазначеного. Міцність при стиску визначається на зразках призматичної форми. Схема дослідження на міцність при стиску уздовж волокон і розмір зразка показані на Рисунку 3.1:

Рис. 3.1. Дослідження на міцність при стиску: а — вздовж волокон, б — поперек волокон Зразок поступово навантажують до руйнування. Потім по силовимірювачу машини дослідження відраховують максимальне навантаження Р_мах. Межу міцності (у Мпа) обчислюють по формулі:

(3.1)

де Р_мах — максимальне навантаження, Н

(a * b) — площа перетину зразка, мм²

У середньому для усіх вітчизняних порід при вологості деревини 12% межа міцності на стиск уздовж волокон складає близько 50 Мпа.

Міцність при стиску поперек волокон визначається за схемою на малюнку. Тут зазначена рівнодіючих сил, що або рівномірно розподілені по всій поверхні зразка, або по всій ширині, але на частині довжини його (місцевий стиск). І в тім, і в іншому випадках визначають умовна межа міцності. Як цей показник використовують межа пропорційності, тобто величину напруг, до яких спостерігають лінійну залежність між напругами і деформаціями. У середньому для всіх порід він складає 1/10 межі міцності при стиску уздовж волокон [19, с. 150].

3.3 Метод ІЧ-спектроскопії

Метод інфрачервоної спектроскопії дає можливість отримати відомості про відносні положеннях молекул протягом дуже коротких проміжків часу, а також оцінити характер зв’язку між ними, що є принципово важливим при вивченні структурно-інформаційних властивостей різних речовин. В основі цього методу лежить таке фізичне явище, як інфрачервоне випромінювання. Інфрачервоне випромінювання також називають «тепловим» випромінюванням, так як всі тіла, тверді і рідкі, нагріті до певної температури, випромінюють енергію в інфрачервоному спектрі. При цьому довжини хвиль, що випромінюються тілом, залежать від температури нагрівання: чим вище температура, тим коротше довжина хвилі і вище інтенсивність випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла при відносно невисоких (до декількох тисяч кельвінів) температурах лежить в основному саме в цьому діапазоні.

Інфрачервона спектроскопія (ІЧ спектроскопія), розділ молекулярної оптичної спектроскопії, що вивчає спектри поглинання і віддзеркалення електромагнітного випромінювання в інфрачервоній області, тобто в діапазоні довжин хвиль від 10^-6 до 10^-3 м. У координатах інтенсивність поглиненого випромінювання — довжина хвилі (хвильове число) інфрачервоний спектр являє собою складну криву з більшим числом максимумів і мінімумів.

Метод інфрачервоної спектроскопії є універсальним фізико-хімічним методом, який застосовується в дослідженні структурних особливостей різних органічних і неорганічних сполук. Метод заснований на явищі поглинання групами атомів випробуваного об'єкта електромагнітних випромінювань в інфрачервоному діапазоні. Поглинання пов’язано з порушенням молекулярних коливань квантами інфрачервоного світла. При опроміненні молекули інфрачервоним випромінюванням поглинаються тільки ті кванти, частоти яких відповідають частотам валентних, деформаційних і лібраційних коливань молекул.

В ІЧ-Фур'є-спектрометрах із зразком взаємодіє інтерферуюча хвиля, на відміну від дисперсійних приладів, в яких енергія взаємодії знаходиться в строго визначеному діапазоні довжин хвиль. Інтерферуюча хвиля продукується в інтерферометрі (Рис. 3.2), найбільш поширеним з яких є інтерферометр Майкельсона.

Рис. 3.2. Схема Фур'є-спектрометра: 1 — рухоме дзеркало, 2 — нерухоме дзеркало, 3 — роздільник променю Для контролю роботи інтерферометра, збору і зберігання даних і, найголовніше, проведення перетворення Фур'є використовується ЕОМ. Крім того, з допомогою комп’ютера проводиться подальша обробка спектра. Паралельний пучок світла з інфрачервоного джерела направляється в інтерферометр Майкельсона, де він, потрапляючи на роздільник (напівпрозоре дзеркало, виготовлене з KBr або CsI і покрите тонким шаром германію), розщеплюється на два промені. Один промінь відбивається від фіксованого дзеркала, інший — від рухомого. Після відбиття від дзеркал промені з'єднуються і утворюють реконструйований пучок, який оптично є результатом інтерференції хвиль. Інтерферуючий світловий пучок проходить через зразок і змінюється, взаємодіючи з ним. Далі промінь потрапляє на детектор, де сигнали переводяться в цифровий формат і зберігаються в ЕОМ. Повний ІЧ-спектр може бути отриманий вже після одного циклу руху дзеркала за допомогою швидкого перетворення Фур'є. Звичайно, проводиться кілька сканувань зразка, що покращує відношення сигнал/шум. Після кожного сканування розраховується середня інтерферограмма. Інтерферограмма є функцією сигналу від часу двох променів інтерферометра. Потім інтерферограмма піддається подальшій обробці (заповнення нулями, фазова корекція), яка необхідна для компенсації інструментальних артефактів.

Інфрачервоний спектр деревини являє собою не просто суму смуг поглинання її окремих компонентів, але включає в себе смуги, що характеризують зв’язки, що існують між макромолекулами целюлози, лігніну і геміцеллюлоз. Спектри виділених компонентів деревини можуть значно відрізнятися один від одного залежно від методу виділення. Полісахариди при виділенні піддаються гідролізу, що веде до значного зменшення молекулярної маси і ступеня кристалічності. Лігнін при виділенні піддається окисленню, конденсації і іншим процесам. Крім того, при виділенні лігніну розчинником (діоксаном, етанолом і т.д.) виділяється «уламок» макромолекули лігніну, що не характеризує весь набір функціональних груп і зв’язків, присутніх у полімері [1, с. 11].

Тому при зіставленні спектрів основних компонентів деревини потрібно враховувати відмінності в структурі, обумовлені шляхом виділення їх з деревної матриці.

Прикладом проведення ІЧ-спектроскопії може слугувати спектр диоксанлігніну (Рис. 3.3) та целюлози (Рис. 3.4).

Рис. 3.3. ІЧ-спектр диоксанлігніну деревини осики Рис 3.4. ІЧ-спектр целюлози деревини осики

3.4 Метод термомеханічної спектроскопії

Метод, що складається у вимірі залежності деформації полімеру від температури, називається термомеханічним, а крива залежно деформації від температури при постійному навантаженні називається термомеханічною кривою (ТМК) і є найважливішою характеристикою полімеру. ТМК відображає залежність деформації від температури. Деформація розвивається протягом певного часу при постійно заданій величині навантаження. Як правило, на термомеханічній кривій вимальовуються три області або стани полімеру, відповідні різним характерам зміни деформації з температурою. Термомеханічна спектроскопія (ТМС) — без розчинна діагностика молекулярно-топологічної будови полімерів — розроблена в інституті хімічної фізики РАН. Вона базується на термомеханічному аналізі полімерів і дозволяє здійснювати комплексне молекулярно-топологічне тестування полімерів будь-якої структури і будови в ході одного експерименту, практично в режимі експрес-аналізу.

Загальновідомо, що молекулярна маса і молекулярно-масові характеристики поряд з хімічною структурою ланцюга є основними для полімерів різного топологічного будови, визначальними весь комплекс їх фізико-хімічних і механічних властивостей. Особливо доцільне використання термомеханічного методу в гумотехнічної, целюлозно-паперової та деревообробної промисловості. Використання цього методу в молекулярно-масовому і топологічному аналізі полімерної матриці деревини і її похідних (целюлоза, лігнін) без застосування розчинників і проведення багатостадійних операцій перекладу целюлози в розчинний стан спрощує і робить більш надійним аналіз.

Термомеханічний аналіз проводиться методом пенетрації в полімер кварцового напівсферичного зонда радіусом R. Оскільки однією з вимірюваних величин в цьому методі є зміна лінійного розміру зразка між підкладкою і зондом, то природно, що він повинен відповідати певним вимогам до форми і агрегатним станом.

Деревина для глибокого хімічного модифікування використовується, як правило, у вигляді тирси певної фракції, продукти її модифікування являють собою порошкоподібні речовини чи речовини з волокнистою структурою (ефіри целюлози). Термомеханічним випробуванням піддають зразки, приготовлені у вигляді циліндричних таблеток під тиском? 20 МПа, діаметром 2−6 мм, товщиною 1−6 мм. Вплив пресування, безумовно, позначається на властивостях досліджуваних зразків, тому зразки готують для випробувань в однакових умовах, що дозволяє проводити їх порівняльний аналіз. Безпосередньо перед проведенням термомеханічного аналізу зразки витримуються в вакуум-сушильній шафі для видалення залишкової вологи.

Зразок аналізованого полімеру, приготовленого за однією з описаних вище форм, поміщають в термокамери. Охолодження зразка полімеру проводять зі швидкістю сканування температури, рівній 0,6−40 град/хв, до температури на кілька десятків градусів нижче температури склування полімерів. Витримують зразок при цій температурі протягом 10−15 хв, потім занурюють у застеклований полімер кварцовий напівсферичний зонд (діаметр 2−4 мм), навантажений залежно від прийнятого режиму випробування вантажем 0,2−300 г, і починають нагрівання зі швидкістю підвищення температури, рівної швидкості її зниження при заморожуванні полімеру (Рис. 3.4). З цього моменту на двокоординатному самописці проводять запис двох функцій: деформація — час і температура — час, необхідні для побудови термомеханічної кривої в координатах деформація — температура.

Термомеханічний аналіз закінчують при досягненні температури усталеної молекулярної течії (при аналізі лінійних полімерів) або температури початку термодеструкції сітки для зшитих полімерів.

Рис. 3.5. Схема вимірювання деформації: 1 — навантаження, 2 — кварцовий зонд, 3 — напівсферичний наконечник зонда, 4 — таблетка зразка На Рис. 3.6 наведена типова термомеханічна крива, характерна для карбоксиметилованої целюлози, виділеної з карбоксиметилованої деревини. Вид кривої свідчить про топології поліблочного аморфно-кристалічного полімеру сітчастої будови, що містить аморфний (температура силування -12 °С), кристалічний (температура плавлення 24°С) та кластерний (високотемпературний аморфний, температура — 64 °С) блоки [18, с. 20].

Рис. 3.6. Термомеханічна крива карбоксиметилованої целюлози виділеної з деревини, отриманої при 60 °C на протязі 20 хвилин

3.5 Калориметричний метод деревина фізичний вологість спектроскопія Для вивчення полімерів, в тому числі і целюлози та її похідних, класичні калориметричні методи використовують давно. Одним із них є адіабатична калориметрія.

Прецизійні виміри теплоємності зазвичай проводять в адіабатичному калориметрі. Зразку надається певна порція тепла й реєструється відповідна зміна температури. Основні труднощі полягають в адіабатизації самого калориметра.

Залежно від робочої температури адіабатичні калориметри можуть бути умовно розділені на дві категорії; низькотемпературні (Т < 300К) і високотемпературні (250−600 К). Вимір теплоємності полімерів за допомогою калориметрів обох типів пов’язаний з рядом експериментальних труднощів, обумовлених головним чином низькою теплопровідністю полімерів, їх низкою щільністю, внаслідок чого відношення теплового значення полімерного зразка до теплового значення калориметра мале, і наявністю дрейфу температури, викликаного протіканням уповільнених релаксаційних процесів у полімерах. При використанні високотемпературних калориметрів велике значення має здатність полімерів до окиснення й розкладання, а також можливість прилипання їх до металу після плавлення. Зазвичай при вимірах теплоємності зразок нагрівають поступово, по 120 С, причому тепло підводиться таким чином, щоб швидкість нагрівання була невелика (менше 1С/хв). Після кожного нагрівання слідує тривала витримка для досягнення теплової рівноваги. Точність визначення теплоємності досягає 0,1%. Для вимірів використовуються зазвичай навішення полімерів в 20−80г.

Характерна для полімерів наявність метастабільних станів і протікання в них уповільнених релаксаційних процесів часто змушує відмовлятися від вимірів із тривалими перервами між окремими стадіями нагрівання зразків, оскільки в ці періоди в них відбуваються істотні необоротні зміни й, таким чином, кожний новий вимір проводиться фактично на зразку, відмінному від вихідного. Ця обставина особливо суттєва при вимірах в області переходів і структурних перетворень. Тому в багатьох випадках лише виміри в умовах досить швидкого безперервного нагрівання дозволяють уникнути необоротних змін у зразках.

Оригінальний малоінерційний адіабатичний калориметр, придатний для вимірів теплоємності полімерів в умовах безупинно мінливої температури, був розроблений Журковим і Левіним. Той же принцип з деякими змінами згодом був використаний Волькенштейном і Шароновим. Мала інерційність, необхідна для вимірів при безупинно мінливій температурі, досягалася спеціальним розташуванням зразка, нагрівача й термометра опору. На відміну від застосовуваних зазвичай блокових зразків полімер наносився з розчину тонким шаром на три ізольовані дроти, один з яких служив нагрівачем, а два інших для виміру температури й створення адіабатичних умов. У результаті багаторазового нанесення розчину на дротах осідав шар полімеру товщиною 0,15−0,20 мм. Теплова рівновага в приготовленому таким способом зразку досягалося за долі секунди при швидкості нагрівання 0,5С/хв. Ця методика дозволяла проводити виміри зі швидкостями нагрівання до 23С/хв. Результати дослідження, що отримуються за допомогою адіабатичного калориметра, зазвичай виражаються у вигляді температурної залежності теплоємності С, на основі якої можуть бути визначені температури структурних перетворень.

Таким чином, інформація, що отримана методом калориметричних вимірів, досить вагома і глибока по своєму змісту. Але адіабатична калориметрія відноситься до числа дуже трудомістких методів дослідження [10, с. 208].

ВИСНОВКИ ТА ПРОПОЗИЦІЇ

Деревина — найпоширеніший природний полімерний матеріал. Значення її в біосфері, в промисловості, в побуті - безмежне. В умовах зростаючого дефіциту невідтворюваної сировини і в рамках захисту навколишнього середовища з кожним роком її роль зростає.

Деревина — прекрасний конструкційний матеріал, і її застосовують у машинобудуванні. З деревини виготовляють шпали, меблі і сірники, музичні інструменти, тару і спортивний інвентар. Вона є вихідною сировиною для одержання шляхом хімічної переробки кордних волокон для шинної промисловості, віскозного волокна, кормових дріжджів, лікарських засобів тощо.

Різноманітне використання деревини пояснюється рідкісним поєднанням багатьох цінних властивостей. Деревина є міцним та одночасно легким матеріалом, у якого хороші теплоізоляційні властивості, який здатен без руйнації поглинати роботу при ударних навантаженнях, гасити вібрації. Вона легко обробляється ріжучими інструментами, склеюється, утримує металеві та інші кріплення.

Аналіз фізико-хімічних методів показав, що для дослідження деревини використовують багато різноманітних способів і підходів, щоб мати повний обсяг інформації про досліджуваний матеріал.

Для визначення вологості деревини використовують термогравіметричний метод. Він є прямим, тобто в ньому проводиться безпосередній поділ матеріалу на суху речовину та вологу. Даний метод полягає у вимірі втрат ваги зразком у міру його безперервного нагрівання. Використовувана для реалізації цього методу техніка досить проста. Типова апаратура складається з аналітичних ваг, програмувальної печі, що нагрівається від електрики, і записуючого обладнання. Цей метод доцільний для дослідження полімерів з різними добавками й наповнювачами, зміст яких визначається по вазі. У випадку визначення вологості деревини він є ефективним. Метод дослідження на міцність при стиску дозволяє визначити межу міцності, тобто максимальну напругу, що передує руйнуванню тіла. Він відноситься до фізичних методів. Оскільки деревина — анізотропний матеріал, тобто матеріал з різними властивостями в різних напрямках, в дослідах указують напрямок дії навантажень: уздовж чи поперек волокон. Межу міцності визначають на малих, чистих зразках, що не мають вад у лабораторіях на випробувальних машинах. Даний показний є важливим, тому що від нього безпосередньо залежить подальше використання матеріалу.

Метод інфрачервоної спектроскопії є універсальним фізико-хімічним методом, який застосовується в дослідженні структурних особливостей різних органічних і неорганічних сполук. Метод заснований на явищі поглинання групами атомів випробуваного об'єкта електромагнітних випромінювань в інфрачервоному діапазоні. Поглинання пов’язано з порушенням молекулярних коливань квантами інфрачервоного світла. На практиці, зазвичай, інфрачервоний спектр поглинання зображають графічно у вигляді ряду величин, що характеризують поглинаючу речовину. Розглядаючи конкретно деревину, за допомогою ІЧ-спектроскопії досліджують її складові - целюлозу і лігнін.

Метод, що складається у вимірі залежності деформації полімеру від температури, називається термомеханічним, а крива залежно деформації від температури при постійному навантаженні називається термомеханічною кривою (ТМК) і є найважливішою характеристикою полімеру (целюлози, лігніну). Термомеханічна спектроскопія базується на термомеханічному аналізі полімерів і дозволяє здійснювати комплексне молекулярно-топологічне тестування полімерів будь-якої структури і будови в ході одного експерименту, практично в режимі експрес-аналізу. Особливо доцільне використання термомеханічного методу в гумотехнічної, целюлозно-паперової та деревообробної промисловості. Використання цього методу в молекулярно-масовому і топологічному аналізі полімерної матриці деревини і її похідних (целюлоза, лігнін) без застосування розчинників і проведення багатостадійних операцій перекладу целюлози в розчинний стан спрощує і робить більш надійним аналіз.

Для вивчення полімерів, в тому числі і целюлози та її похідних, класичні калориметричні методи використовують давно. Одним із них є адіабатична калориметрія. Виміри теплоємності зазвичай проводять в адіабатичному калориметрі. Зразку надається певна порція тепла й реєструється відповідна зміна температури. Основні труднощі полягають в адіабатизації самого калориметра. Результати досліджень, що отримуються за допомогою адіабатичного калориметра, зазвичай виражаються у вигляді температурної залежності теплоємності С, на основі якої можуть бути визначені температури структурних перетворень. Інформація, що отримана методом калориметричних вимірів досить вагома і глибока по своєму змісту. Але адіабатична калориметрія відноситься до числа дуже трудомістких методів дослідження.

Таким чином, проаналізувавши методи, які описані вище, стає зрозумілим, що про такий важливий матеріал як деревина потрібно знати максимум інформації. Саме в цьому випадку фізико-хімічні методи дослідження є доцільними та ефективними.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Базарнова Н. Г. Методы исследования древесины и ее производных: уч. пос. / Н. Г. Базарновой. — Барнаул: Изд-во Алт. гос. ун-та, 2002. — 160 с.

2. Білей П.В. Сушіння і захист деревини: підруч. [для студ. вищих навч. закл.] / П. В. Білей, В. М. Павлюст. — Львів: Основа, 2008. — 312 c.

3. Вакин А. Т. Пороки древесины / Вакин А. Т., Полубояринов О. И., Соловьёв В. А. — М.: Лесная промышленность, 1980. — 112 с.

4. Вінтонів І.С. Деревинознавство: навч. посіб. / Вінтонів І. С. — Львів: РВВ УкрДЛТУ, 2005. — 256 с.

5. Войтович І.Г. Основи технології виробів з деревини: підруч. / Войтович І.Г. — Львів: НЛТУ України, ТЗОВ «Країна ангелят», 2010. — 305 с.

6. Григор'єв М.А. Матеріалознавство столярів і теслярів / Григор'єв М.А. — М.: Вища школа, 1989. — 283с.

7. Гупало О. П. Хімія деревини: підруч. / Гупало О. П., Тушницький О. П.; 2-ге вид., виправ. і доп. — К.: Знання, 2008. — 276 с.

8. Ємельянов В. Г. Основи деревинознавства і лісового товарознавства: навч. посіб. / Ємельянов В. Г. — Х.: Панорама, 2004. — 333 с.

9. Зінчук В.К. Фізико-хімічні методи аналізу: навч. посіб. / В.К. Зінчук, Львів: Видавничий центр ЛНУ імені Івана Франка, 2008. — 362 с.

10. Кійко О.А. Статистичні методи підвищення якості продукції деревооброблення / Кійко О.А. — Львів: Панорама, 2005; 228 с.

11. Кірик М.Д. Механічне оброблення деревини та деревних матеріалів: підруч. [для вищ. навч. закл.] / М. Д. Кірик; Національний лісотехнічний ун-т України. — Львів.: КН, 2006. — 412 с.

12. Козак Р. О. Технологія деревинної маси: навч. посіб. / Р. О. Козак, П. А. Козакєвіч; Український держ. лісотехнічний ун-т. — К.: Основа, 2004. — 348 с.

13. Кононов Г. Н. Химия древесины и ее основных компонентов / Кононов Г. Н. — М.: МГУЛ, 2005. — 247 с.

14. Мелехов І.С Лісознавство / Мелехов І.С — М.: Лісова промисловість, 1987. — 408 с.

15. Михайличенко А. Л. Деревинознавство і лісове товарознавство / А. Л. Михайличенко, І. В. Сметанін. — М.: Лісова промисловість, 1998. — 224 с.

16. Москальова В.Є. Будова деревини та її зміна при фізичних і механічних впливах / Москальова В.Є. — М.: Вища школа, 1995. — 165 с.

17. Музалевский В. И. Измерение влажности древесины / Музалевский В. И. — М.: Лесная промышленность, 1999. — 120 с.

18. Никитин В. М., Оболенская А. В., Щеголев В. П. Химия древесины и целлюлозы / Никитин В. М., Оболенская А. В., Щеголев В. П. — Пермь, ПГТУ, 2003. — 60 с.

19. Осипенко Ю. Ф. Лісове товарознавство / Ю. Ф. Осипенко, В. П. Рябчук. — Львів: Вища школа, 1987. — 279 с.

20. Перелигін Л. М. Будова деревини / Перелигін Л.М. — М.: Лісова промисловість, 1990. — 200 с.

21. Полубоярінов О.І. Щільність деревини / Полубоярінов О.І. — М.: Лісова промисловість, 1990. — 160 с.

22. Садовничий Ф. П. Деревинознавство і лісове товарознавство / Садовничий Ф. П. — М.: Вища школа, 1989. — 225 с.

23. Скоробогатий Я. П. Хімія і методи дослідження сировини і матеріалів / Скоробогатий Я. П. — Львів, Компакт-ЛВ, 2005. — 248 с.

24. Станко Я. Н. Древесные породы и основные пороки древесины / Я. Н. Станко, Г. А. Горбачева. — М.: Всемирный фонд дикой природы, 2010. — 155 с.

25. Уголєв Б.Н. Деформативність деревини та напруги при сушці / Уголєв Б.Н. — М.: Лісова промисловість, 1995. — 174 с.

26. Уголев Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение / Уголев Б. Н. — М.: Академия, 2006. — 272 с.

27. Хаулей Л. Ф. Химия древесины / Л. Ф. Хаулей, Л. Е. Уайз. — М.: Лесная промышленность, 1997. — 250 с.

28. Чудінов Б. С. Вода в деревині / Чудінов Б.С. — Новосибірськ: Наука, 1996. — 270 с.

29. Швамм Е. Е. Строение древесины / Швамм Е. Е. — Екатеринбург: УГЛТУ, 2010. — 37 с.

30. Шутов В. В. Физика древесины: уч. пособ. / В. В. Шутов, Н. В. Рыжова. — Кострома: Изд-во КГТУ, 2009. — 75 с.