Межволоконное взаимодействие

Прочность и вязкоупругие свойства древесины и вырабатываемых из неё древесных волокон и химические превращения основных компонентов при горячем прессовании раскрывают механизм образования пеллет. Сущность его заключается в развитии межволоконного взаимодействия. Однако процесс распространяется на всю клеточную стенку древесины и является неотъемлемой составляющей изготовления материала.

Химические превращения при горячем прессовании пеллет являются гетерогенным процессом и протекают с низкой степенью завершённости. Превращения распространяются за пределы межволоконного контакта и снижают собственную прочность древесных волокон. Разделить участки химических реакций на необходимые для развития межволоконного взаимодействия и на сопутствующие, в которых в том числе происходят реакции, отрицательно действующие на прочность компонентов, не представляется возможным [6].

Физико-химические явления, связанные с температурными переходами и установлением адгезионного взаимодействия, согласно диффузионной теории адгезии также захватывают весь объём клеточной стенки, а не ограничиваются только поверхностью раздела фаз. Электрорелаксационная и адгезионная теории также не предполагают свести установление взаимодействия только к границе раздела фаз, под которыми понимаются древесные волокна. В качестве межфазной границы, если обратиться к рисунку 3, здесь выступают отдельные компоненты клеточной стенки. Лигнин и нецеллюлозные полисахариды в древесной ткани являются не полностью совместимыми полимерами. Следовательно, в условиях прессования в них происходят физико-химические изменения, такие, как температурные переходы, взаимодиффузия структур различного уровня, а также химические - деструкция, появление новых функциональных групп. Изменения сопровождаются перемещениями макромолекул или их сегментов в силовом поле. В результате устанавливаются новые межмолекулярные и химические взаимодействия.

Если попытаться механизм образования пеллет свести к нескольким основным элементам, то можно воспользоваться схематической зависимостью прочности пеллет от продолжительности и интенсивности теплового воздействия (рисунок 2).

- прочность пеллет; 2 - прочность пеллет, полученных из предварительнообработанного паром древесного сырья; 3 - набухание

Рисунок 1.2 - Схема изменения прочности пеллет от интенсивности теплового воздействия при горячем прессовании

Восходящая ветвь кривой 1 отражает нарастание прочности пеллет вследствие развития межволоконного взаимодействия (участок I). Оно сопровождается превращениями компонентов, снижающими собственную прочность древесных волокон. Нисходящая ветвь (участок II) отражает состояние, когда снижение прочности древесных волокон начинает ограничивать рост прочности прессуемых пеллет в целом [7].

Несмотря на дальнейшее развитие межволоконного взаимодействия с увеличением интенсивности теплового воздействия (или продолжительности его), прочность материала на участке II закономерно снижается. Следовательно, путь к повышению прочности пеллет лежит к созданию условий развития межволоконного взаимодействия при сохранении прочности древесных волокон (кривая 2), чтобы добиться выхода на точку экстремума до значительного развития деструкционных процессов. Следует, однако, иметь в виду, что исключить снижение собственной прочности при горячем прессовании в принципе нельзя. Речь идёт лишь о разумном её ограничении и регулировании.

Направления, по которым достигают роста межволоконного взаимодействия, сводятся к следующему:

регулирование вязкоупругих свойств, чтобы обеспечить достаточную поверхность контакта;

активация поверхности контакта волокон, необходимой для химических взаимодействий и образования Н-связей;

использование дополнительных активных экологически чистых добавок для развития адгезии или химического сшивания макромолекул и структур;

минимизация внутренних напряжений, что повысит формостабильность пеллет.

В заключение отметим, что межволоконное взаимодействие обусловлено широким спектром явлений, получающих развитие в процессе температурно-силового воздействия на исходное древесное сырьё при трансформации его в готовые пеллеты. Обусловливающие взаимодействие силы складываются из сил трения между поверхностями переплетённых волокон и межмолекулярных сил. Стабильное взаимодействие достигается в результате химических реакций между компонентами древесины: фракциями лигнина, частично деструктированными и окисленными гемицеллюлозами, а также экстрактивных веществ. С меньшей активностью в процесс вовлечены все остальные компоненты. Межволоконное взаимодействие развивается с непременными изменениями всего объёма [8].