удк 630 812/813 влияние строения древесины на проницаемость

УДК 630 812/813
ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ НА ПРОНИЦАЕМОСТЬ И
ГИДРОПРОВОДНОСТЬ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
С.В. Авдашкевич
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
Древесина представляет собой сложный целостный объект, знание
основных законов формирования ее структуры и движения основных компонентов
ее насыщающих представляет научный и практический интерес при разработке
принципиально новых технологических процессов обезвоживания и пропитки
древесины в технологических процессах лесопромышленных предприятий, при
обезвоживании других капиллярно-пористых структур.
Ключевые слова
Древесина, структура древесины, гидропроводность, капилляры, влага
Условные обозначения
S – площадь поперечного сечения образца, м2; DP – разность давлений на концах
капилляров, Н/м2; а – размер клеток в тангенциальном направлении (принимаются
одинаковые размеры); b – размер клеток в радиальном направлении (разный в
каждом слое); d – толщина стенок клеток (принимается в радиальном и
тангенциальном направлениях). где; r – радиус капилляров, м; l – длина капилляров,
м; k – коэффициент проницаемости; r 0 - плотность древесины в абсолютно сухом
состоянии, кг/м3;
rД В
- плотность древесинного вещества, кг/м3. h - динамическая
вязкость жидкости, Н с/м2.
Введение
Современное знание о строении и структуре древесины в настоящий момент
как никогда актуально ставит вопрос об изучении капиллярной структуры и
структурных особенностей капиллярно-пористых структур, а значит и проблему
исследования применения капиллярных эффектов для обезвоживания в системах
вода - древесина, вода - пористые структуры различного происхождения (грунты,
строительные композиции). Структурные особенности капиллярно-пористых
структур данных систем, формы связи и движения воды имеют достаточное
сходство, что дает возможность использовать основные закономерности
применительно к этим объектам исследований. Отличие структур природного
происхождения связано с наличием элементов живого и неживого, причем
целостность объекта изучения при этом не нарушается.
Принцип организации структур от простого к сложному в процессе
жизненного цикла (роста) древесины сохраняется, это можно проследить при
изучении свойств и строения ранней и поздней древесины. Следует отметить,
процесс эволюции, изменение физико-механических, химических и других свойств
древесины происходит во времени и в пространстве. Поэтому сложность задачи по
изучению движения воды в древесине, явлений тепло- и массопереноса – ее
пространственно-временной характер.
1. Водопроводящая система древесины
Древесина представляет собой капиллярно-пористое тело. Она представляет
собой сложный комплекс в химическом и анатомическом отношении. Как любой
биологический организм, она состоит из клеток. Основными клеточными
элементами являются: прозенхимные клетки (длина во много раз превосходит
ширину) являются мертвыми и придают древесине волокнистое строение, к ним
относятся трахеиды, клетки либриоформа и сосуды; паренхимные клетки (короткие,
длина и ширина примерно одинаковы) в основном живые.
Водопроводящими путями древесины хвойных пород в поперечном
направлении являются сердцевинные лучи, размер и количество которых изменяется
в широких пределах. Наибольшее количество сердцевинных лучей – у комля дерева,
наименьшее у вершины, причем общий объем их для хвойных пород составляет
5…10% общего объема древесины. Следовательно, жидкость у хвойных пород
может проникать по трахеидам, сердцевинным лучам и смоляным ходам.
Водопроводящими элементами древесины лиственных пород являются сосуды и
сосудистые трахеиды, в качестве механических элементов выступают волокна
либриформа, запасающую функцию выполняют паренхимные клетки.
Сосуды в виде длинных вертикальных и тонкостенных трубок, состоящих из
члеников, являются водопроводящими элементами, занимают 10…55% объема
ствола в зависимости от породы древесины. Число и диаметр сосудов изменяется по
сечению и по длине ствола[1-3].
Элементами,
составляющими
водопроводящую
систему
являются
волокнистые трахеиды, аналогичные волокнам либриформа, имеют толстые стенки и
малые полости. Паренхимные клетки лиственных пород (8…40% объема древесины
ствола) образуют две системы – горизонтальную (сердцевинные лучи) и
вертикальную (древесную паренхиму).
Объединяющим элементом основной части паренхимных клеток являются
сердцевинные лучи, они составляют 36% объема ствола. У лиственных пород
сердцевинные лучи многорядные. Клетки сердцевинных лучей хвойных и
лиственных пород имеют узкие межклеточные ходы, которые имеют свое
продолжение в коре, тем самым обеспечивая газообмен с окружающей средой.
Закономерности
проникновения
влаги
в
древесину
необходимо
рассматривать в зависимости от ее структуры. Проводящие элементы, форма их
взаимосвязи между собой позволяют рассматривать древесину как макро- и
микрокапиллярную систему. Макрокапиллярную систему древесины образуют
полости клеток, а капилляры клеточных стенок и капилляры, возникающие в
результате различных видов химического и физического воздействия, образуют
субмикрокапиллярную структуру.
2. Проницаемость древесины
Главная причина проницаемости по мнению авторов [4] – закрытие
окаймленных пор в трахеидах, происходящее в растущем дереве при переходе от
заболонной части древесины в ядровую. У срубленной древесины разницы не
наблюдается. Интерес представляет вопрос о проникновении жидкости в клетки
древесины. Клеточная стенка древесины обладает высокой проницаемостью для
пропиточных растворов благодаря наличию системы капилляров, причем количество
жидкости, проникающей в клетку и количество оставшихся в ней после пропитки
веществ зависят от строения клеточной стенки и пористости ее слоев. Слои
клеточной оболочки отличаются друг от друга. Толщина различных слоев клеточной
оболочки и их процентное соотношение имеют большое значение для
проникновения жидкости в древесину. Наружная часть имеет более пористую
структуру и более проницаема. Однако имеются сведения, не подтверждающие эти
данные.
Вторичная оболочка содержит значительное количество целлюлозного
волокна, характеризуется компактным расположением микрофибрилл. Наличие
экстрактивных и других веществ в капиллярной системе клеточных оболочек
позволяет исключить ее из проводящей системы.
Существенное влияние на проницаемость
древесины оказывают
анатомическое строение и свойства клеточных стенок, а так же физикомеханические процессы, происходящие в процесс обработки древесины.
3. Гидропроводность древесины
Гидропроводность обусловлена различием адсорбционной способности
древесины. Жидкость может адсорбироваться стенками (происходит набухание),
часть ее проникает в структуру – характер процесса определяется наличием влаги в
стенках клеток. Характер взаимодействия древесинного вещества и воды
определяется количеством и формой связи жидкости с древесиной. Вода может
поступать в виде водяных паров или в виде капельно-жидкой влаги. Поглощение
паров осуществляется в результате адсорбции и капиллярной конденсации.
Наличие в древесине полярных гидроксильных групп определяет степень ее
взаимодействия с молекулами воды. Например, поглощение целлюлозой воды
происходит до равновесного состояния. В процессе адсорбции древесиной воды
имеет место выделение теплоты сорбции, возникновение давления набухания и
объемное сжатие. Кроме того, в древесных волокнах находятся в большом
количестве субмикроскопические капилляры, определяющие проникновение
жидкости при капиллярной конденсации. Вода при проникновении в волокно
разрывает водородные связи, структура волокна при этом разрыхляется [5].
Следовательно, наличие сорбированной влаги в древесине определяет ее физикомеханические свойства и проводимость жидкостей и газов.
Проникновение воды в древесину сверх гигроскопической влаги (после
завершения процесса насыщения волокна) может происходить за счет
гидродинамического течения, скорость которого зависит от градиента приложенного
давления и состояния пористой структуры. Если имеет место частичное заполнение
капиллярно-пористой структуры древесины, то создаются влаго-воздушные
включения (так называемые четки Жамена), которые могут исключать полностью
проникновение газов и жидкости [6].
Оптимальное соотношение воздуха и жидкости наблюдается в растущем
дереве. В период дефицита влаги образуются воздушные включения, при отсутствии
дефицита влаги жидкость перетекает из одной полости в другую, воздух удаляется.
Количественно газопроницаемость определяется при абсолютно сухом состоянии
или при гигроскопически насыщенной структуре древесины. Гидропроводимость
может быть определена лишь при полном однофазном насыщении поровой
структуры.
4. Пористость древесины
Поры в древесине – в основном замкнутые полости клеток, имеющие
определенную ориентацию, сообщаются между собой и имеют выход на
поверхность, являясь открытыми. Замкнутые – изолированы друг от друга. Согласно
классификации пор по размерам полости клеток разделяют на капиллярные и
некапиллярные. При содержании в теле как капиллярных, так и некапиллярных пор
это тело называют капиллярно-пористым. Исходя из этого, древесину лиственных
пород можно отнести к капиллярно-пористым, так как в ней находятся сосуды с
относительно большим радиусом пор, а древесина хвойных пород относится ближе к
капиллярным телам. Поэтому условно древесина всех пород относится к
капиллярно-пористым телам [5].
Объемная пористость является величиной обратной плотности древесины в
абсолютно сухом состоянии, изменчивость ее характеризуется теми же факторами,
что и плотность. Для всех пород характерно увеличение пористости от комля к
вершине, затем уменьшение.
Поверхностная пористость зависит от породы, процентного содержания
ранней и поздней древесины в годичном кольце, плотности древесины в абсолютно
сухом состоянии и др. Кроме того, следует отметить, что пористость изменяется по
высоте и диаметру в пределах годичного кольца, изменение которой возможно
определить исходя из зависимостей (1-3).
Объемная пористость СV – объем пор в процентах от общего объема
абсолютно сухой древесины:
CV
100 1
r0
rД В
,
(1)
Поверхностная пористость CП – площадь пор в процентах от общей площади
поверхности в данном сечении. На основании результатов проведенных
экспериментов [3] установлена следующая зависимость между СV и CП :
CП = 1,46 СV – 64,9,
СП
= 146 (1 - 0,649 r 0 ) -
(2)
100
r Д.В.
.
(3)
Изучение закономерностей взаимодействия древесины с водой в капиллярах
невозможно без построения модели поровой структуры. По анатомическому
строению полости клеток в древесине в поперечном сечении у лиственных пород
имеют форму круга, а у хвойных пород к прямоугольнику. Т.к. длина пор выше
размеров ее поперечного сечения на два порядка, то длину пор не учитывают [5].
Условие моделирования пористой структуры древесины - равенство пористой
модели и натуры. Размеры полостей клеток у хвойных и лиственных пород
изменяются в пределах годичного кольца, с учетом этого модель структуры
древесины приближают к реальной. По рассмотренной модели можно вычислить
объемную пористость, используя следующую зависимость
)(b
a
d
CV
2d )
b
,
(4)
Пористость зависит от формы и от плотности укладки (наиболее плотная
укладка наблюдается если форма клеток - правильный шестиугольник).
Теоретическая модель капиллярно-пористой системы представляет собой
систему
гипотетических
капилляров,
эквивалентных
в
отношении
гидродинамических, капиллярных и других свойств исследуемому пористому телу.
Простейшая капиллярная модель – система прямых параллельных
капиллярных трубок одинакового радиуса и длины, равной длине рассматриваемого
тела в направлении потока движущейся через него жидкости.
Количество жидкости, прошедшей через капилляры образца, имеющие на
единицу поперечного сечения n пор при описании течения жидкости уравнением
Пуазейля будет равно
Q
p r4 P
8h l
Sn
,
(5)
а по закону Дарси
Q
Sk
P
h l
,
(6)
Сравнивая формулы (5) и (6), можно установить
k
p
8
4
.
(7)
Коэффициент пористости для рассматриваемой модели m=n p r2, выражение
(7) приобретает вид
2
k
rm
8
.
(8)
Из формулы (5) можно определить радиус капилляров
r
4
8 hQ
l
p nP
S
,
(9)
При описании модели, приближенной к реальной необходимо ввести
коэффициент извилистости eИ – равный отношению l/l0 (где l – длина пути движения
жидкости; l0 – длина образца).
В этом случае выражение (8) имеет вид
2
m
r
k
8e И2
.
(10)
Следует отметить, что большинство пористых сред не может
характеризоваться одним значением радиуса пор, в том числе древесина. В
аналогичных средах Парсел, Бурдайн [7] и Гендерсон предложили рассматривать
пористые среды как систему капилляров, радиусы которых образуют непрерывную
по Парселу или дискретную по Бурдайну статистическую совокупность,
характеризующуюся функцией распределения j(r). В этом случае j(r) – доля общего
числа капилляров тела, радиусы которых заключены между r и r+dr. Полная
проницаемость при этом определяется
k
np
8e И
4
j
)(
dr
.
(11)
0
Для того, чтобы знать каково распределение объема порового пространства
по капиллярам с радиусами, заключенными между r и r+dr, вводят функцию
распределения F(r), которая определяется как доля объема порового пространства,
приходящаяся на капилляры с радиусами, заключенными между r и r+dr.
С учетом того, что объем пор, выраженный через j(r), равен npr2Sj(r)drl0eИ, а
выраженный через F(r), равен mF(r)drl0S, т.е. npr2j(r)dreИ= mF(r), формула (11)
имеет вид
k
np
8 e И2
2
r dr
.
(12)
0
Описанная модель анизотропна, так как обладает проницаемостью в одном
направлении. Если принять допущение существования трех систем капилляров, оси
которых перпендикулярны, модель становится изотропной. Следующее
предположение связано с предположением о переменном сечении капилляра по
длине [7]. Для этого случая значение проницаемости
p n
k
r ) dr / r
m
F
.
(13)
6
0
Ряд авторов предлагают моделировать пористую структуру как совокупность
плотно упакованных шаров одинакового строения. Древесина отличается
структурной сложностью, анизотропностью по сравнению с неорганическими
пористыми системами с более высокой степенью организации.
Поэтому с учетом анизотропности и сложности строения капиллярнопористой системы древесины необходимо дальнейшее изучение макро- и
микропористой структуры древесины (капилляров, пор, законов движения жидкости
по капиллярам).
Литература
1.
Никитин В.М., Оболенская А.В., Щеголев В.П. Химия древесины и
целлюлозы. М.: Лесная пром-сть. 1978. 368 с.
2.
Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика
древесины. М.: Лесная пром-сть. 1990. 304 с.
3.
Патякин В.И. Проблемы повышения плавучести круглых лесоматериалов. М.:
Лесная пром-сть. 1976. 264 с.
4.
Джапаридзе Л.И. Старческие сдвиги торусов. М.: АН СССР. 1941. т.32. №2.
5.
Чудинов Б. С. Вода в древесине. Новосибирск: Наука. 1984. 270 с.
6.
Оснач Н.А. Проницаемость и проводимость древесины. М.: Лесная пром-сть.
1964. 182 с.
7.
Марморштейн Л.М. Коллекторные и экранирующие свойства осадочных
пород при различных термодинамических условиях / Труды НИИГА. Л.:Недра. 1987.
Т. 180. 159 с.