Термическая обработка древесины и оценка её свойств методами магнитного резонанса

Термически обработанная древесина имеет ряд преимуществ, которые появляются после физических и химических модификаций. Правильная термическая обработка изменяет цвет древесины, увеличивает гидрофобные свойства, уменьшает равновесное значение содержания влаги и уменьшает массу.

Целью данной работы является изучение влияния различных свойств древесины и влияние вакуумной термической обработки методами магнитного резонанса, а также корреляции времени вакуумной термической обработки с другими распространенными нерезонансными методами изучения структуры и свойств древесины.

Основная особенность термообработанной древесины заключается в сочетании высоких физико-механических свойств и природной экологичности натурального дерева. 

Обширные сферы применения термообработанной древесины обусловлены тремя основными свойствами материала: долговечностью, низкой гигроскопичностью и размерной стабильностью. 

Термообработка приводит к существенным изменениям в структуре древесины, по мере нагрева из ее состава испаряются смолы, воски, жиры, фенолы, элементы гемицеллюлозы и глюкозы. В результате древесина становится устойчивой к гниению, не подвержена воздействию плесени, поражению микроорганизмами и грибком, повышается биологическая стойкость материала, что не позволяет достичь обычная сушка древесины.

Для исследования были выбраны довольно распространенные и часто используемые породы древесины: берёза, ель, липа, лиственница, сосна. 

Для сушки образцов был использован вакуумный термошкаф ВТШ-К24-25 и роторный форвакуумный насос VRO 5/21. Образцы всех перечисленных пород были подвергнуты вакуумной сушке при длительностях от 40 до 480 мин и хранились в контейнерах с фиксированной относительной влажностью воздуха.

Эксперименты методом ЭПР были проведены на спектрометре Varian E-12 X-Band на частоте 9,3 ГГц при комнатной температуре. 

Эксперименты методом ЯМР были проведены на импульсном ЯМР-спектрометре лабораторного изготовления. Данные эксперименты проводились на ядрах ¹H. Были проведены измерения времен продольной T₁ и поперечной T₂ релаксации ядер ¹H некоторых образцов. Все эксперименты проводились на частоте 11 МГц при комнатной температуре в поле Н=2.6 кЭ.

Для детального рассмотрения поверхности древесины  был использован оптический микроскоп Zeiss Axio. Измерения проходили в лаборатории ЦНРС Института Нееля (Гренобль, Франция).

Для измеренения твердости образцов древесины использовался метод Бриннеля (метод вдавливания стального шарика диаметром 10 мм с силой 100 кгс в поверхность древесины). 

 

Были проведены исследования методом ЭПР серии образцов различных пород древесины и различных времен вакуумной термической обработки. Были построены зависимости амплитуды сигнала ЭПР от длительности вакуумной термической обработки для образцов древесины липы, лиственницы, ели, сосны и березы. Амплитуда сигнала свободных радикалов линейно возрастает с ростом времени вакуумной термической обработки, но при больших длительностях вакуумной термообработки амплитуда сигнала свободных радикалов становится меньше.

По результатам проведенных ЯМР экспериментов на ядрах ¹H древесины выявлено, что времена восстановления продольной намагниченности Т­₁ и времена спада поперечной намагниченности Т₂ не меняются в процессе вакуумной термической обработки, не смотря на то, что при этом концентрация свободных радикалов в образцах меняется в несколько раз.

Вакуумная термическая обработка древесины улучшает её влагостойкость, причем разным породам древесины требуется разная длительность вакуумной термообработки для достижения максимального эффекта. В какой то момент увеличение длительности вакуумной термообработки уже не сказывается на влагостойкости образцов. Влажность образцов, прошедших вакуумную термическую обработку в два раза ниже влажности необработанных образцов. Как правило 2-4 часов термообработки при 220⁰С достаточно для достижения максимального улучшения влагостойкости.

Микроскопические исследования показали, что при вакуумной термообработке происходят деструктивные изменения в структурном составе древесины. Косвенно это может свидетельствовать о том, что цепочки полимеров рвутся и это приводит к образованию новых (дополнительных) свободных радикалов, образование которых мы видим в ЭПР экспериментах. Помимо этого происходит разрушение стенок сосудов и их размер увеличивается.

1. Hon D. N. S. et al. Characteristics of free radicals in wood //Wood and fiber. – 1980. – V. 12. – №. 2. – P. 121-130.
2. Sivonen H. et al. Magnetic resonance studies of thermally modified wood //Holzforschung. – 2002. – V. 56. – №. 6. – P. 648-654.
3. Humar M. et al. Influence of wood moisture content on the intensity of free radicals EPR signal //European Journal of Wood and Wood Products. – 2006. – V. 64. – №. 6. – P. 515-516.

In this paper, EPR studies of a large variety of thermally modified wood species are reported. Complementary 1H NMR relaxation experiments were performed. The samples were also studied by optical microscopy. The original results of the effect of heat treatment on wood are reported. They reveal mechanisms of wood treatment, and suggestions on the related processes are made. Impact of heat treatment on
humidity absorption and hardness of the wood samples is reported.