Древесина широко используется в различных отраслях промышленного производства. Однако присущая натуральной древесине способность впитывать воду и другие недостатки требуют её модификации различными составами. В работе изучена технология пропитки древесины берёзы отработанным растительным маслом, которое остается после приготовления пищи. Введение в предварительно подготовленную древесину берёзы пропи¬точного состава проводили способом «горяче-холодных ванн» и последующей термообработкой пропитанной отработанным подсолнечным маслом древесины. Оценку влияния основных коли¬чественных параметров процесса пропитки на показатели древесных образцов проводили с применением планирования эксперимента по схеме греко-латинского квадрата четвертого порядка. Изучено влияние температуры пропиточного масла, время пропитки, температуры и продолжительности термообработки на свойства модифицированной древесины. Свойства древесины берёзы оценивали по её водопоглощению, а также разбуханию образцов в радиальном и тангенциальном направлениях. Получены уравнения регрессии, описывающие влияние основных параметров процесса пропитки отработанным подсолнечным маслом на свойства модифицированной древесины. Установлены наилучшие условия введения отработанного подсолнечного масла в древесину. Предлагаемый пропиточный состав улучшает декоративные свойства древесины, не имеет запаха и обладает экологической безопасностью. Показано, что обработка древесины березы отработанным растительным маслом позволяет получить модифицированную древесину, обладающую повышенной устойчивостью к действию воды
древесина березы, отработанное растительное масло, пропитка, модификация, водо¬поглощение, разбухание
Введение
В промышленности, строительстве и в быту широко применяется натуральная древесина и древесные материалы. Этому способствует редкое сочетание ценных свойств древесины, таких как возобновляемость, высокая удельная прочность, хорошие теплоизоляционные свойства и обрабатываемость на станках и другие.
Однако натуральная древесина имеет и целый ряд недостатков: изменчивость свойств, анизотропность, наличие разнообразных пороков, горючесть, способность поглощать воду и влагу из окружающей среды, приводящей к повышению вероятности повреждения различными грибами, увеличению размеров, формы, веса и снижению прочности. Такие недостатки древесины требуют её модификации различными веществами и составами. Для модификации и улучшения свойств натуральной древесины разных пород применяют разнообразные органические мономер и их композиции с целевыми добавками [1-3]. Получаемые модифицированные материалы имели однородный состав, уменьшенное разбухание, более высокие прочностные показатели, повышенную водостойкость, а также стойкость к агрессивным средам. Перспективными с точки зрения экологии являются покрытия на основе силикона [4-6].
Авторами [7, 8] разработаны новые составы для пропитки древесины, содержащие отработанное моторное масло и древесную муку. В качестве пропиточных исследованы такие масла как моторное, трансмиссионное, кукурузное и подсолнечное. В качестве наполнителя использовали древесную муку хвойных и лиственных пород, муку коры дуба, березы и сосны. Применение в составе композиции на основе отработанного моторного масла древесной муки значительно повышает содержание пропиточного состава в древесине березы, уменьшает водопоглощение и разбухание древесины в тангенциальном и радиальном направлениях.
В настоящее время к пропиточным составам, применяемым для повышения срока службы древесных изделий, предъявляются всё более жесткие требования с точки зрения экологии. Перспективными и экологичными модификаторами древесины являются отходы растительных масел.
Отработанные растительные масла и другие отходы на основе растительных масел используют в качестве биотоплива для дизельных двигателей [9-10], в качестве пластифицирующих добавок в строительной индустрии [11], а отходы некоторых масел применяют в качестве смазочных материалов [12]. Так, замена нефтяного топлива на топливо на основе отходов растительного масла позволит [10] заметно уменьшить токсичность отработанных газов и улучшить экологию городской среды.
Авторами [13] рекомендовано использовать отходы растительных и минеральных масел для защитной обработке антикоррозионной бумаги.
В разработке [14] представлена возможность применения использованных масел растительного происхождения для повышения формоустойчивости натуральной древесины. Отмечено, что насыщение водой образцов древесины берёзы, содержащей вторичное кукурузное и подсолнечное масла, было значительно ниже, чем у натуральной древесины. На основе полученных результатов сделано заключение: самыми низкими показателями по разбуханию обладают образцы древесины берёзы, содержащие в своем составе отработанное подсолнечное масло [14].
Цель работы - изучение влияния технологических параметров пропитки древесины отработанным растительным маслом на свойства модифицированной древесины и выбор наилучших условий процесса пропитки с использованием методов оптимизации эксперимента.
Объекты и методы исследования
В данной работе для исследований использовали образцы древесины березы размером 2 х 2 см и высотой вдоль волокон 3 см. Оценку пропиточного состава проводили по следующим показателям: водопоглощение за 30 суток нахождения в дистиллированной воде (ГОСТ 16483.20-72), разбухание в тангенциальном и радиальном направлениях (ГОСТ 16483.35-88). В качестве пропиточного состава древесины использовали отработанное рафинированное подсолнечное масло, которое остается после приготовления пищи и является не утилизируемым отходом производства.
Образцы древесины березы высушивали до абсолютно сухого состояния. Предварительно подготовленные древесные образцы погружали в пропиточный состав, нагретый до заданной температуры, и выдерживали в течение определенного времени, а затем переносили в холодное масло с комнатной температурой. Продолжительность пропитки в горячем растительном масле равнялась времени нахождения в холодном пропиточном составе. Вхождение пропитывающего состава в полости древесины осуществляется за счет перепада давления, возникающего в образце вследствие погружения нагретой древесины в холодное растительное масло.
Для изучения процесса введения в состав древесины березы отработанного рафинированного подсолнечного масла использовали метод планирования эксперимента по методике [15]. Изучено влияние температуры пропиточного состава, время пропитки древесины, температуры и продолжительности термообработки на свойства модифицированной древесины. Были выбраны следующие значения указанных факторов:
температура пропитки (фактор А) – 30, 60, 90, 120 оС;
продолжительность пропитки (фактор В) – 30, 60, 90, 120 мин;
температура термообработки (фактор С) – 100, 120, 140, 160 оС;
продолжительность термообработки (фактор D) – 1, 3, 5, 7 ч.
Для образцов модифицированной древесины определяли водопоглощение и разбухание в радиальном и тангенциальном направлениях через два часа, одни, десять и тридцать суток, путем их выдерживания в дистиллированной воде.
Результаты и обсуждение
Как следует из анализа результатов экспери-мента, с увеличением температуры и продолжи-тельности пропитки отработанным растительным маслом уменьшается водопоглощение и разбухание древесины березы в радиальном и тангенциальном направлениях. Растительные масла в виде тонкого
слоя на поверхности древесины на воздухе под действием кислорода, ультрафиолетового света и температуры полимеризуются и твердеют. Это свойство связано с наличием в растительных мас-лах полиненасыщенных жирных кислот, таких как линолевая и линоленовая. Так как в подсолнечном масле таких кислот меньше, чем в других расти-тельных маслах, и процесс их затвердевания на воздухе протекает достаточно медленно, что тре-бует применения термообработки полученных мо-дифицированных образцов древесины. При нагре-вании в растительном масле разлагаются вещества, которые замедляют процесс высыхания масла и затвердевания поверхностного слоя. Как показал эксперимент, с повышением температуры термооб-работки пропитанных растительным маслом образцов улучшаются показатели водостойкости древесины березы. В то же время продолжительность термообработки слабо влияет на водопоглощение и разбухание древесины.
На основе экспериментальных результатов составлены уравнения регрессии, позволяющие описать влияние доминирующих технологических параметров на модифицирующую обработку натуральной древесины растительным маслом с оценкой устойчивости их к действию воды после испытания в течение 1 и 30 суток.
После выдерживания образцов древесины в дистиллированной воде в течение 30 суток уравнения регрессии имеют следующий вид:
– водопоглощение, %
Y (A, B, C, D) = 1,487×10-5× (67,17 – 0,327а) × (41,375 – 0,0076b) ´ (55,023 – 0,1089с) × (40,9 – 0,025d);
– разбухание в тангенциальном направлении, %
Y (A, B, C, D) = 9,2077×10-4× (13,055 – 0,0361а) × (10,53 – 0,0033b) ´ (13,2 – 0,0224с) × (10,392 – 0,028d);
– разбухание в радиальном направлении, %
Y (A, B, C, D) = 1,7067×10-3 × (10,385 – 0,0262а) × (8,595 – 0,003b) ´ (11,444 – 0,0236с) × (8,686 – 0,079d).
По полученным экспериментальным данным были построены графические зависимости, которые показывают влияние изученных факторов на показатели водостойкости пропитанной отработанным подсолнечным маслом древесины (рис. 1а, 1б, 1в).
По полученным уравнениям регрессии установлены требуемые условия модификации образцов древесины березы отработанным подсолнечным маслом. Обнаружено, что наиболее благоприятной является температура пропитки 120 оС.
Отработанное растительное масло обладает инертностью к металлам и древесине, требуемой для пропиточных составов. Введенное в древесину подсолнечное масло не будет вызывать коррозию металлов, входящих в состав крепёжных деталей деревянных изделий и оборудования для пропитки.
Заключение.
Следует отметить, что отработанное растительное масло благодаря низкой вязкости обладает хорошей пропитывающей способностью для древесины. Увеличение температуры пропитки существенно повышает количество вводимого модифицирующего состава.
Наиболее сильное влияние на свойства пропитанной отработанным растительным маслом древесины березы оказывают температура и продолжительность пропитки, а также температура термообработки образцов.
Предлагаемый пропиточный состав на основе отработанного растительного масла не имеет запаха и обладает экологической безопасностью для человека и животных.
Пропитка древесины отработанным растительным маслом улучшает декоративные свойства поверхности древесины, её эстетичность, проявляя природную структуру дерева.
Обработка древесины березы отработанным растительным маслом, позволяет улучшить свойства древесины, такие как водопоглощение, разбухание в тангенциальном и радиальном направлениях. Таким образом, отработанное растительное масло можно рекомендовать для защитной обработки товарной древесины при хранении и древесных материалов в процессе их эксплуатации.
Рисунок 1а – Водопоглощение (%) образцов модифицированной древесины в зависимости от температуры пропитки (фактор А); от продолжительности пропитки (фактор В); от температуры термообработки (фактор С) и от продолжительности термообработки (фактор D).
Рисунок 1б – Разбухание в тангенциальном направлении (%) образцов модифицированной древесины в зависимости от температуры пропитки (фактор А); от продолжительности пропитки (фактор В); от температуры термообработки (фактор С) и от продолжительности термообработки (фактор D).
Рисунок 1в – Разбухание в радиальном направлении (%) образцов модифицированной древесины в зависимости от температуры пропитки (фактор А); от продолжительности пропитки (фактор В); от температуры термообработки (фактор С) и от продолжительности термообработки (фактор D).
1. Mathias, Z.I. Улучшение свойств древесины многофункциональными мономерами / Z.I. Mathias et. al. // Polum. Prepr. Amer. Chem. Soc. - 1990. - Vol. 31. - № 1. - P. 646-647.
2. Khan, M.A. Studies of physico-mechanical properties of wood and wood plastic composite (WPC) / M.A. Khan et. al. // J. Appl. Polym. Sci., - 1992. - Vol. 45. - № 1. - P. 167-172. - DOI:https://doi.org/10.1002/app.1992.070450119 - ISSN 0021-8995.
3. Khan, M.A. Effect of Moisture and Heat on Mechanical Properties of Wood and Wood-Plastic Composite / M.A. Khan, K.M. Ali // Polym. Plast. Technol. and Eng. - 1993. - Vol. 32. - № 1-2. - P.5. - DOI:https://doi.org/10.1080/03602559308020151 - ISSN 0360-2559.
4. Nguye, Thi Tham Effects of modification with a com-bination of styrene-acrylic copolymer dispersion and sodium silicate on the mechanical properties of wood / Thi Tham Nguyen, Zefang Xiao, Wenbo Che, Hien Mai Trinh, Yanjun Xie // Journal of Wood Science. - 2019. - Vol. 65. - P. 2. - DOI:https://doi.org/10.1186/s10086-019-1783-7.
5. Cappelletto, E. Wood surface protection with different alkoxysilanes: a hydrophobic barrier / E. Cappelletto, S. Maggini, F. Girardi et al. // Cellulose. - 2013. - Vol. 20. - P. 3131. - DOI:https://doi.org/10.1007/s10570-013-0038-9.
6. Cappelletto, E. Gidrofobnye siloksanovye bumazhnye pokrytiya: effekt uvelicheniya zamescheniya metila / E. Cappelletto, E. Callone, R. Campostrini, F. Girardi, S. Maggini, C. Della Volpe, S. Siboni, R. Di Maggio // J. Sol-Gel. Sci. Technol. - 2012. - Vol. 62 (3) - P. 441-452. - DOI: 10.1007 / s10971-012-2747-1.
7. Бельчинская, Л.И. Влияние отработанного моторного масла и наполнителей на водо- и биостойкость древесины березы и сосны / Л.И. Бельчинская, К.В. Жужукин, Л.А. Новикова, А.И. Дмитренков, Ян Седлячек // Лесотехнический журнал. - 2018. - № 2. - С.196-204. - DOI:https://doi.org/10.12737/article_5b2406191848a1.09510619 - Библиогр.: с. 202-203. - ISSN 2222-7962.
8. Belchinskaya, L.I. Elaboration of a composition based on spent engine oil and wood flour for birch wood impregnation and railway sleepers production / L.I. Belchinskaya, K.V. Zhuzhukin, A.I. Dmitrenkov, L. A. Novikova, N.A. Khodosova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019. - Vol. 392. - 012075. - International scientific and practical conference "Forest ecosystems as global resource of the biosphere: calls, threats, solutions" 23-24 October 2019, Voronezh, Russia (Forestry-2019). - URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/392/1/012075/pdf. - DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/392/1/012075.
9. Болоев, П.А. К вопросу об использовании биотоплива в дизельных двигателях / П.А. Болоев, М.К. Бураев, А.В. Шистеев, Т.В. // Вестник ВСГУТУ. - 2018. - № 3 (70). - С. 31-36. - Библиогр.: с. 35-36. - ISSN 2413-1997.
10. Бураев, М.К. Особенности использования биотоплива в дизельных двигателях / М.К. Бу¬раев, Т.В. Бодякина // Актуальные вопросы аграрной науки. - 2019. - № 30. - С. 13-19. - Библиогр.: с. 18-19.
11. Свидерский, В.А. Использование отработанного растительного масла в качестве пластифицирую¬щей добавки / В.А. Свидерский, В.В. Токарчук, А.Ю. Флейшер // Техника и технология силикатов. - 2014. - Т. 21. № 3. - С. 18-25. - Библиогр.: с. 25.
12. Остриков, В.В. Эффективное использование смазочных материалов [Производство смазочных мате¬риалов из растительных масел и отходов их производства, очистка отработанных масел биопродуктами] / В.В. Остриков, Н.Н. Тупотилов, А.Г. Зимин, В.В. Белогорский // Техника и оборудование для села. - 2010. - N 7.- С. 16-20. - Библиогр.: с. 20.
13. Голубев, М.И. Испытания прочности антикоррозионной бумаги на основе отходов производства растительных масел и отработанных минеральных масел / М.И. Голубев // Наука в центральной России. - 2015. - № 6 (18). - С. 5-10. - Библиогр.: с. 8-10. - ISSN 2305-2538.
14. Бельчинская, Л.И. Разработка экологичных пропиточных составов для модификации древесины /Л.И. Бельчинская, А.И. Дмитренков, К.В. Жужукин, Л.А. Новикова // Комплексные проблемы техносферной безопасности : материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский госу¬дарственный технический университет», 2017. Ч. III. - С. 143-146. - Библиогр.: с. 145-146.
15. Грачев, Ю. П. Математические методы планирования эксперимента / Ю. П. Грачев, Ю. М. Плаксин. - М.: ДеЛи-Принт, 2005. - 296 с. - ISBN 5-94343-096-2.
