Динамические механические свойства древесины некоторых хвойных пород

Исследования релаксационных процессов в древесине позволяют частично решить проблему о влиянии структуры древесины на ее физико-механические свойства, а также можно проследить, как зависят эксплуатационные характеристики древесины от ее возраста, породы, условий произрастания и других природных факторов. Как показала практика, наиболее эффективным для решения этих задач является метод динамического механического анализа (ДМА) [1, 2]. До настоящего времени, несмотря на высокую информативность, этот метод крайне редко использовался для изучения характеристик нативной древесины, его применение отмечено для весьма ограниченного спектра древесных пород и без однозначно четкой интерпретации полученных результатов [3, 4]. Несмотря на это, на предварительном этапе нами были получены данные, позволяющие строить обоснованные предположения о природе химических связей и морфологии древесного комплекса [5, 6]. Представляется интересным проведение эксперимента по нахождению температурной зависимости динамического модуля сдвига и тангенса угла механических потерь для древесины других пород. Метод ДМА был реализован на обратном крутильном маятнике. Погрешность определения динамического модуля сдвига не превышала 5 %, а тангенса угла механических потерь – ~6 %.

Известно, что наибольшие области распространения в лесах Горного Алтая и всей Южной Сибири принадлежат хвойным породам. В качестве объекта исследования выбрана древесина сосны обыкновенной, а также ели и сосны кедровой, по своим физико-механическим и декоративным показателям древесина является наиболее востребованной на рынке строительных материалов.

Типичные кривые температурных зависимостей динамического модуля сдвига (G’) и тангенса угла механических потерь (Tg 5 ) древесины сосны, ели и кедра (вдоль волокон) показаны на рис. 1-3. Посредством анализа первой и второй температурных производных определены границы температурных переходов и температура максимума их интенсивности, которая выбрана нами на основании [ 7 ] как показатель точного положения процесса. Обнаружено, что в древесине всех исследованных пород имеется три области, характеризующиеся резким уменьшением величины G’ по абсолютному значению – в интервале температур до 50 ^оС, 180–225 ^оС и ~225–280 ^оС. До настоящего времени сведения, имеющиеся в литературе об идентификации этих температурных переходов, весьма противоречивы и зачастую основаны лишь на предположениях. Ряд авторов [ 3, 4 ] ранее обнаруживали релаксационные переходы в древесине березы в областях до 70 ^оС, 170–220 ^оС, но не привели убедительных доказательств их связи с молекулярной подвижностью каких-либо компонентов древесины.

В более ранних работах [ 5, 6, 9 ] мы сделали попытку дать интерпретацию результатов ДМА измерений древесины некоторых лиственных пород. Работу следует считать продолжением данного направления. Как и в лиственной древесине, наиболее вероятно, что в древесине сосны, ели и кедра релаксационный переход при температуре до ~50 ^оС носит мультиплетный характер и отображает суперпозицию размораживания локальной подвижности цепей макромолекул целлюлозы, стеклования ее аморфной части [ 3, 7 ] , а также лигнина и гемицеллюлоз, пластифицированных водой, всегда присутствующей в нативной древесине. Возможно, что данный переход частично обусловлен стеклованием низкомолекулярного лигнина. Примечательно, что для древесины всех исследованных хвойных нет существенного различия ни в положении, ни в ширине этого перехода. Интенсивность перехода, о которой можно судить по характеру температурной производной динамического модуля сдвига, у древесины кедра существенно меньше, чем у сосны и ели (рис. 1–3). По-видимому, причиной этого являются различия в химическом составе и, в большей степени, морфологии данных пород.

Область температур 180–225 ^оС характеризует переход лигноцеллюлозного комплекса из стеклообразного в высокоэластическое состояние [ 3-5 ] , который обнаруживается при более низких температурах, чем в чистой целлюлозе [ 6, 7 ] из-за включения в сегментальную подвижность целлюлозы гибкоцепных фрагментов гемицеллюлоз и лигнина.

t g 6

0,14

Тем пература, ОС

0,12

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02

0,00

dG '/d t, ГП а/О С

-2

-4

-6

G', ГП а

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Рис. 1. Температурные зависимости динамического модуля сдвига, первая и вторая температурные производные, тангенс угла механических потерь древесины сосны вдоль волокон

50           100           150          200          250          300

Тем пература, ОС

Рис. 2. Температурные зависимости динамического модуля сдвига, первая и вторая температурные производные тангенса угла механических потерь для древесины ели вдоль волокон

Рис. 3. Температурные зависимости динамического модуля сдвига, первая и вторая температурные производные тангенс угла механических потерь древесины сосны кедровой вдоль волокон

Первый максимум на кривых температурной зависимости Tgδ оказывается близким к температуре выхода из зоны соответствующего перехода. Специфичной особенностью древесины сосны и кедра является весьма малая интенсивность этого перехода по сравнению с древесиной ели. Обоснованием такой отличительной особенности видится различие в соотношении высоко-низкомолекулярных компонентов в изученных образцах. Суммарно большее число молекул, вовлеченных в процесс единовременно, приводит к росту кооперативности и, соответственно, интенсивности процесса.

До настоящего времени в литературе не содержится четких сведений о высокотемпературном переходе при 225–280 оС, что вероятно связано с недостаточной чувствительностью использованных экспериментальных установок при измерениях в высокотемпературной области. Впервые этот переход был обнаружен нами при изучении древесины березы [5, 6]. Его существование подтвердилось впоследствии для древесины ряда других пород, в том числе и хвойных. Основываясь на результатах работы [8], можно заключить, что в высокотемпературном интервале происходит плавление кристаллических областей целлюлозы. Примечательно, что начало области плавления кристаллитов в хвойной древесине практически совпадает с окончанием процесса перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние, и лишь у древесины кедра эти процессы четко разделены. В этом видится существенное отличие от аналогичных процессов в древесине лиственных пород, где эти процессы четко разграничены широкой полосой относительной термостабильности шириной до 30 oС [5, 6, 9]. По характеру кривых температурной производной, в древесине сосны и кедра становится заметной гораздо бόльшая интенсивность процесса плавления кристаллитов по сравнению с интенсивностью основного релаксационного процесса. Плавление кристаллитов сопровождается пиком механических потерь. Он наблюдается во всех изученных образцах в области окончания процесса плавления, причем по интенсивности существенно больше первого пика, что свидетельствует о более существенной молекулярно-морфологической перестройке древесного комплекса хвойных при разрушении кристаллической структуры, чем при релаксационных процессах.

Проведенные исследования позволяют сделать заключение о древесине сосны, ели и кедра как о сложном лигноуглеводном конгломерате с температурой размораживания локальной подвижности цепей макромолекул целлюлозы и стеклования пластифицированной аморфной части лигноуглевод-ного комплекса в интервале до 50 оС. Стеклование лигноуглеводного комплекса происходит при температуре 180–225 оС, область плавления кристаллитов целлюлозы наблюдается в интервале температур 225–280 оС. Относительная термостабильность свойств сохраняется до ~200 оС. Полученные результаты позволяют сделать вывод об эффективности использования динамического механического анализа для оценки структурных различий в древесине разных пород и целесообразности продолжений исследований в выбранном направлении.