Исследование влияния процесса термической модификации древесины на изменение предела прочности и модуля упругости при статическом изгибе

УДК

674.049.2+674.046.7

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2015.6.85

Аннотация

В работе представлены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств термически обработанной древесины сосны (Pínus sylvéstris), березы (Bétula Péndula), дуба (Quércus Róbur), осины (Tilia europaea) и липы (Pópulus trémula). Термическая обработка образцов осуществлялась в пароконвекционной камере, в среде насыщенного водяного пара при атмосферном давлении, максимальных температурах 180, 200 и 220 °С и длительности обработки при пиковых значениях до 3 ч. Определены потери массы и изменение плотности в абсолютно сухом состоянии, стандартная влажность древесины, модуль упругости и предел прочности при статическом изгибе. Установлено, что повышение потери массы характерно для всех пород, при этом наибольшие значения параметра отмечены для древесины дуба, липы 
и осины (в среднем на 17,8; 13,4 и 16,5 % соответственно) при максимальной температуре 220 °С. Плотность термически модифицированной древесины снижается при повышении температуры обработки и достигает минимальных значений для древесины дуба и осины. Модуль упругости при статическом изгибе повышается в среднем для различных пород на 10...20 % для пиковых температур обработки 180 и 200 °С 
и снижается при последующем повышении температуры до 220 °С. Предел прочности при статическом изгибе повышается для образцов березы в среднем на 12,5, сосны – 14,5, липы – 9,2 %, обработанных при 180 °С. С повышением пиковой температуры обработки до 200 ˚С максимальное снижение предела прочности отмечено у образцов дуба (в среднем на 19,5 %). Для образцов березы и липы снижение было незначительным и составило в среднем 3,5 и 0,5 % по сравнению с немодифицированными образцами. 
У образцов осины отмечено увеличение предела прочности на 23,0 и 11,5 % соответственно при 180 и 200 °С. Максимальное снижение предела прочности при статическом изгибе зафиксировано для всех пород при температуре термической обработки 220 °С, что по сравнению с немодифицированными образцами древесины березы составило 31,5, дуба – 38,9, сосны – 9,5, липы – 4,6, осины – 11,5 %.

Сведения об авторах

© Е.С. Шарапов, канд. техн. наук, доц.

А.С. Торопов, д-р. техн. наук, проф.

А.С. Королев, асп.

Поволжский государственный технологический университет, пл. Ленина, 3, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл, Россия, 424000; e-mail: sharapoves@volgatech.net

Ключевые слова

: термически модифицированная древесина, потеря массы, плотность, предел прочности при статическом изгибе, статический модуль упругости

Литература

1. Владимирова Е.Г. Технология производства заготовок из термически модифицированной древесины: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 2012. 22 с.

2. Шарапов Е.С., Karl-Christian Mahnert, Королев А.С. Экспериментальные исследования физико-механических свойств термически модифицированной древесины сосны // Вестн. МГУЛ – Лесн. вестн. 2013. № 2. С. 90–96.

3. Arnold M. Effect of moisture on the bending properties of thermally modified beech and spruce // Journal of Material Science. 2010. N 45. P. 669–680.

4. Ates S., Akyildiz M.H., Özdemir H. Effects of heat treatment on Calabrian pine (Pinus brutia Ten.) wood // BioResources. 2009. N 4(3). P. 1032–1043.

5. Bengtsson C., Jermer J., Brem F. Bending strength of heat-treated spruce and pine timber // 33rd annual meeting of the international research group on wood protection. Cardiff, Wales. 2002. Document IRG/WP 02-40242. 9 p.

6. Boonstra M.J. A two-stage thermal modification of wood : Ph.D. dissertation in cosupervision Ghent University and Université Henry Poincaré. Nancy, France, 2008. 297 p.

8. Gunduz G., Aydemir D., Karakas G. The effects of thermal treatment on the mechanical properties of wild Pear (Pyrus elaeagnifolia Pall.) wood and changes in physical properties // Materials and Design. 2009. N 30. P. 4391–4395.

7. Esteves B., Marques A.V., Domingos I., Pereira H. Influence of steam heating on the properties of pine (Pinus pinaster) and eucalypt (Eucalyptus globulus) wood // Wood Science and Technology. 2007. N 3(41). P. 193–207.

9. Hill C.A.S. Wood modification – chemical, thermal and other processes. Chichester, UK: John Wiley and Sons, 2006.

10. Kacikova D., Kacik F., Cabalova I., Durkovic J. Effects of thermal treatment on chemical, mechanical and colour traits in Norway spruce wood // Bioresource Technology. 2013. N 144. P. 669–674.

11. Kamperidou V., Barboutis I., Vasileiou V. Influence of thermal treatment on mechanical strength of Scots pine (Pinus sylvestris L.) wood // Wood research. 2014. N 59(2). P. 373–378.

12. Kubojima Y., Okano T. & Ohta M. Bending strength and toughness of heat-treated wood // Journal of Wood Science. 2000. N 46. P. 8–15.

13. Militz H. and Altgen M. Processes and properties of thermally modified wood manufactured in Europe // Deterioration and protection of sustainable biomaterials, In: T.P. Schultz, B. Goodell and D.D. Nicholas. chapter 16. 2014. P. 269–285.

14. ThermoWood 2003: ThermoWood^® Handbook Finnish ThermoWood Association. Helsinki, Finland. URL: http://www.thermowood.fi.

Поступила 11.05.15

Ссылка на английскую версию:

Effect of Thermal Modification of Wood on Strength and Elasticity Modulus in Static Bending

UDC [674.049.2+674.046.7]

Effect of Thermal Modification of Wood on Strength and Elasticity Modulus in Static Bending

E.S. Sharapov, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

A.S. Toropov, Doctor of Engineerig Sciences, Professor

A.S. Korolev, Postgraduate Student

Volga State University of Technology, Lenin sq., 3, Yoshkar-Ola, Republic of Mari El, 424000, Russian Federation; е-mail: sharapoves@volgatech.net

The paper presents the experimental results of physical and mechanical properties of thermally modified timber of pine (Pínus sylvéstris), birch (Bétula Péndula), oak (Quércus Róbur), aspen (Tilia europaea) and lime (Pópulus trémula). Wood samples’ heating was carried out in a saturated steam medium in a steam convection section and atmospheric pressure at maximum temperatures of 180 ˚С, 200 ˚С and 220 ˚С and the duration of treatment at a peak value of 3 hours. The values of mass loss and the change in density when dry, specified moisture content, elasticity modulus and tensile strength at static bending were defined. The increase in mass loss was significant for all wood species. Maximum mass loss was determined for oak, lime and aspen wood specimens at average values of 17.8 %, 13.4 % and 16.5 % respectively, at a maximum temperature of 220 ˚С. The density of thermally modified wood was reduced with increasing treatment temperature and reached the minimum values for wood of oak and aspen. Elasticity modulus at static bending increased for different species on average of 10…20 % for peak processing temperatures of 180 ˚С and 200 ˚С and subsequently reduced by increasing the temperature up to 220 ˚С. The ultimate strength at static bending is increased for birch samples, treated at 180 ˚С, on average of 12.5 %, pine – 14.5 % and lime – 9.2 %. With the rise of peak processing temperature up to 200 ˚С the maximum reduction of ultimate strength of wood was observed in oak samples (on average 19.5 %). For birch and lime samples the decrease was insignificant – 3.5 % and 0.5 % in comparison with the unmodified samples. The rise of ultimate strength was observed for aspen samples of 23 % and 11.5 % for the 180 ˚С and 200 ˚С. The maximum decrease of the ultimate strength at static bending was marked for all species in the heat treatment temperature of 220 ˚С, that was compared to unmodified samples for birch –
31.5 %, oak – 38.9 %, pine – 9.5 %, lime – 4.6 % and 11.5 % of aspen.

Keywords: thermally modified timber, mass loss, density, elasticity modulus at static bending, static modulus.

REFERENCES

1. Vladimirova E.G. Tekhnologiya proizvodstva zagotovok iz termicheski modifitsirovannoy drevesiny: avtoref. dis… kand. tekn. nauk [Technology of Production of Hewn Blanks of Thermally Modified Wood: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Moscow, 2012. 22 p.

2. Sharapov E.S., Karl-Christian Mahnert, Korolev A.S. Eksperimental'nye issledovaniya fiziko-mekhanicheskikh svoystv termicheski modifitsirovannoy drevesiny sosny [Experimental Research of Physical and Mechanical Properties of Pine Wood]. Moscow State Forest University Bulletin – Lesnoy vestnik, 2013, no. 2, pp. 90–96.

3. Arnold M. Effect of Moisture on the Bending Properties of Thermally Modified Beech and Spruce. Journal of Material Science, 2010, no. 45, pp. 669–680.

4. Bengtsson C., Jermer J., Brem F. Bending Strength of Heat-Treated Spruce and Pine Timber. 33rd annual meeting of the international research group on wood protection. Cardiff, Wales, 2002. 9 p.

5. Boonstra M.J. A Two-Stage Thermal Modification of Wood: Ph.D. Diss. Nancy, France, 2008. 297 p.

6. Gunduz G., Aydemir D., Karakas G. The Effects of Thermal Treatment on the Mechanical Properties of Wild Pear (Pyrus elaeagnifolia Pall.) Wood and Changes in Physical Properties. Materials and Design, 2009, no. 30, pp. 4391–4395.

7. Esteves B., Marques A.V., Domingos I., Pereira H. Influence of Steam Heating on the Properties of Pine (Pinus pinaster) and Eucalypt (Eucalyptus globulus) Wood. Wood Science and Technology, 2007, no. 3 (41), pp. 193–207.

8. Hill C.A.S. Wood Modification - Chemical, Thermal and Other Processes. Chichester, UK, 2006.

9. Kacikova D., Kacik F., Cabalova I., Durkovic J. Effects of Thermal Treatment on Chemical, Mechanical and Colour Traits in Norway Spruce Wood. Bioresource Technology, 2013, no. 144, pp. 669–674.

10. Kamperidou V., Barboutis I., Vasileiou V. Influence of Thermal Treatment on Mechanical Strength of Scots Pine (Pinus sylvestris L.) Wood. Wood research, 2014, no. 59 (2), pp. 373–378.

11. Kubojima Y., Okano T. & Ohta M. Bending Strength and Toughness of Heat-Treated Wood. Journal of Wood Science, 2000, no. 46, pp. 8–15.

12. Militz H., Altgen M. Processes and Properties of Thermally Modified Wood Manufactured in Europe. Deterioration and Protection of Sustainable Biomaterial, chapter 16. Ed. by T.P. Schultz, B. Goodell, D.D. Nicholas. Washington, 2014, pp. 269–285.

13. Ates S., Akyildiz M.H., Özdemir H. Effects of Heat Treatment on Calabrian Pine (Pinus brutia Ten.) Wood. BioResources, 2009, no. 4 (3), pp. 1032–1043.

14. ThermoWood 2003: ThermoWood^® Handbook. Finnish ThermoWood Association. Helsinki, Finland. Available at: http://www.thermowood.fi.

Received on May 11, 2015