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.