Реологічні властивості термічно модифікованої деревини ялини європейської Picea abies (L.) Karst. у середовищі азоту
Анотація
Подолання деяких недоліків деревини, як конструкційного матеріалу, зі збереженням показників екологічності на рівні звичайної деревини досягається шляхом її термічного модифікування. Термічно модифікована деревина (ТМД), зберігаючи безперечні переваги звичайної деревини, дає змогу суттєво підвищити біологічну стійкість і забезпечити стабільність форми і розмірів виробів в процесі експлуатації.
Об’єктом дослідження були радіальні зразки прямокутного перерізу розміром 35 × 12 × 0,6 мм, виготовлені з термічно модифікованої деревини ялини європейської при температурі 180 і 210ºС у середовищі азоту.
Дослідження в’язкопружної поведінки (повзучості) деревини під дією статичних навантажень проводили з використанням динамічного механічного аналізатора Gabo Eplexor 25N DMA та програмного модуля на основі моделі Бюргерса. Програмне керування експериментом і первинне опрацювання даних виконували за допомогою програмного комплексу GABO. Експериментальні дослідження в’язкопружних властивостей деревини здійснювалось в режимі розтягу з використанням програмних модулів “Time Sweep” та “Temperature Sweep” за квазістатичної частоти навантаження (f = 0…0.01Гц).
Встановлено вплив температури термічного оброблення деревини ялини європейської в середовищі вуглекислого газу на зміну в’язкопружних характеристик та модуля повзучості. Виконаний аналіз кінетики деформації під навантаженням дає підставу стверджувати, що термічна модифікація суттєво змінює механічну стійкість матеріалу, причому цей вплив має чітко виражений градаційний характер від температури модифікування.
Отримано графічні залежності зміни деформацій для термічно модифікованої і немодифікованої деревини ялини європейської, які дають змогу оцінити вплив температури на реологічні властивості матеріалу.
Посилання
Alén, R., Kotilainen, R., & Zaman, A. (2002) Thermochemical behavior of Norway spruce (Picea abies) at 180–225 °C. Wood Science and Technology, 36, 163–171. https://doi.org/10.1007/s00226-001-0133-1
Armstrong, L. D., & Kingston, R. S. T. (1960). Effect of moisture changes on creep in wood. Nature, 185, 862–863. https://doi.org/10.1038/185862c0
Bekhta, P., & Niemz, P. (2003). Effect of high temperature on the change in color, dimensional stability and mechanical properties of spruce wood. Holzforschung, 57(5), 539–546. https://doi.org/10.1515/HF.2003.080
Engelund, E. T., & Salmén, L. (2012). Tensile creep and recovery of Norway spruce influenced by temperature and moisture. Holzforschung, 66(2), 259–265. https://doi.org/10.1515/hf-2011-0172
Engelund, E. T., & Svensson, S. (2011) Modelling time-dependent mechanical behaviour of softwood using deformation kinetics. Holzforschung, 65, 231–237. https://doi.org/10.1515/HF.2011.011
Esteves, B., & Pereira, H. (2009). Wood modification by heat treatment: A review. BioResources, 4(1), 370–404. https://doi.org/10.15376/biores.4.1.370-404
Gérardin, P. (2016). New alternatives for wood preservation based on thermal and chemical modification of wood – a review. Annals of Forest Science, 73(3), 559-570. https://doi.org/10.1007/s13595-015-0531-4
Hering, S., & Niemz, P. (2012). Creep of thermally modified wood under alternating climates. Wood Material Science & Engineering, 7(2), 74–79. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119899
Hill, C. A. S., Altgen, M., & Rautkari, L. (2021). Thermal modification of wood – a review: chemical changes and hygroscopicity. Journal of Materials Science, 56(11), 6581–6614. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05722-z
Hill, C., Norton, A., & Newman, G. (2009). The Water Vapor Sorption Behavior of Natural Fibers. Journal of Applied Polymer Science, 112, 1524–1537. https://doi.org/10.1002/app.29725
Kutnar, A., Kamke, F., & Sernek, M. (2008). Density profile and morphology of viscoelastic thermal compressed wood. Wood Science and Technology, 43, 57–68. https://doi.org/10.1007/s00226-008-0198-1
Metsä-Kortelainen, S., Antikainen, T., & Viitaniemi, P. (2006). The water absorption of sapwood and heartwood of Scots pine and Norway spruce heat-treated at 170°C, 190°C, 210°C and 230°C. Holz als Roh- und Werkstoff, 64(1), 37–44. https://doi.org/10.1007/s00107-005-0063-y
Militz, H., & Altgen, M. (2014). Processes and Properties of Thermally Modified Wood Manufactured in Europe. Deterioration and Protection of Sustainable Biomaterials, 1158, 269-285. https://doi.org/10.1021/bk-2014-1158.ch016
Montero, C., Clair, B., Almeras, T., Lee, A., & Gril, J. (2012). Relationship between wood elastic strain under bending and cellulose crystal strain. Composites Science and Technology, 72(2), 175–181. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2011.10.014
Navi, P., & Stangerlin, D. M. (2006). The machining of heat-treated wood. In Proceedings of the 2nd International Conference on Environmentally-Compatible Forest Products (ECOWOOD), Fernando-Pessoa University, Porto, Portugal. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-99418-0
Navi, P., & Stanzl-Tschegg, S. (2009) Micromechanics of creep and relaxation of wood. A review COST Action E35 2004-2008: wood machining – micromechanics and fracture. Holzforschung, 63, 186–195. https://doi.org/10.1515/HF.2009.013
Peura, M., Kölln, K., Grotkopp, I., Saranpaa, P., Müller, M., & Serimaa, R. (2007). The effect of axial strain on crystalline cellulose in Norway spruce. Wood Science and Technology, 41, 565–583. https://doi.org/10.1007/s00226-007-0141-x
Placet, V., Passard, J., & Perré, P. (2008). Viscoelastic properties of wood across the grain measured under water-saturated conditions up to 135°C: Evidence of thermal degradation. Journal of Materials Science, 43, 3210–3217. https://doi.org/10.1007/s10853-008-2546-9
Qin, L., Lin, L., Fu, F., & Fan, M. (2018). Micromechanical properties of wood cell wall and interface compound middle lamella using quasi-static nanoindentation and dynamic modulus mapping. Journal of Materials Science, 53, 549–558. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1185-4
Sandberg, В, Haller, P., & Navi P. (2013) Thermo-hydro andthermo-hydro-mechanical wood processing: An opportunity for future environmentallyfriendly wood products. Wood Material Science & Engineering, 8(1), 64–88, https://doi.org/10.1080/17480272.2012.751935
Sandberg, D., Kutnar, A., & Mantanis, G. (2017). Wood modification technologies: A review. iForest – Biogeosciences and Forestry, 10(6), 895–908. https://doi.org/10.3832/ifor2380-010
Wang, X., Chen, X., Xie, X., Wu, Y., Zhao, L., & Li, Y. (2018). Effects of thermal modification on the physical, chemical and micromechanical properties of Masson pine wood (Pinus massoniana Lamb.). Holzforschung, 72(12). https://doi.org/10.1515/hf-2017-0205
Wang, D., Elin, X., & Feng F. (2022). The differences of viscoelastic properties between the secondary wall S2 layer and compound middle lamella of thermally treated wood. Wood Science and Technology, 56, 1509–1525. https://doi.org/10.1007/s00226-022-01409-7
Wang, D., Fu, F. & Lin, L. (2022). Molecular-level characterization of changes in the mechanical properties of wood in response to thermal treatment. Cellulose, 29, 3131–3142. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04471-3
Wang, D., Lin, L., & Fu, F. (2019) The difference of creep compliance for wood cell wall CML and secondary S2 layer by nanoindentation. Mechanics of Time-Dependent Materials, 9, 1–12. https://doi.org/10.1007/s11043-019-09436-x
Windeisen, E., Strobel, C., & Wegener, G. (2007). Chemical changes during the production of thermo-treated beech wood. Wood Science and Technology, 41(6), 523–536. https://doi.org/10.1007/s00226-007-0146-5
Wu, Y., Zhang, H., & Zhang, Y. (2019). Effects of thermal treatment on the mechanical properties of larch (Larix gmelinii) and red oak (Quercus rubra) wood cell walls via nanoindentation. BioResources, 14(4), 8048-8057. https://doi.org/10.15376/biores.14.4.8048-8057
Xing, D., Li, J., & Wang, X. (2016). In situ measurement of heat-treated wood cell wall at elevated temperature by nanoindentation. Industrial Crops and Products, 87, 142–149. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.04.017
Xing, D., Wang, X., & Wang, S. (2021). Temperature-Dependent Creep Behavior and Quasi-Static Mechanical Properties of Heat-Treated Wood. Forests, 12. 968. https://doi.org/10.3390/f12080968
