Ультразвуковое уплотнение цельной древесины

Желание создать высоко эффективную технологию уплотнения и формообразования изделий из сырой древесины обосновывается следующими фактами. Древесина деревьев всех пород имеет одинаковый химический состав и ее плотность определяется только концентрацией древесного вещества, плотность. Древесина деревьев одной и той же породы в зависимости от условий произрастания может иметь различные значения плотности. Физико-механические параметры древесины линейно увеличиваются с ростом от ее плотности. Следовательно, если древесину с малой плотностью искусственно уплотнить, то полученный материал может иметь физико-механические характеристики равные или превышающие аналогичные параметры древесины деревьев ценных пород.

Рассмотрим основные эффекты, связанные с воздействием мощного ультразвукового поля на древесину в процессе ее прессования. Возбуждение в деревянной заготовке трехмерного акустического поля, в каждой точке которого вектор колебательной скорости имеет продольную, радиальную и тангенциальную составляющие приводит к следующим эффектам. Продольные колебания заготовки приводят к изменению условий трения внешней поверхности заготовки о внутреннюю поверхность пресс-формы, заменяя трение покоя на трение скольжения. Радиальная составляющая акустического поля способствует “отжатию” поверхности заготовки от стенок пресс-формы и, совместно со статической силой, транспортировке заготовки без разрушения внутрь пресс-формы. Это позволяет уменьшить величину статической силы, необходимой для прессования, более чем в два раза.

Наличие в заготовке акустического поля увеличивает пластичность древесины и приводит к тому, что частицы древесного вещества, преодолевая силы упругости сжатой древесины, осуществляют периодические трехмерные смещения. Это приводит к равномерному уплотнению древесины. Капиллярно-поровая структура водопроводящих путей древесины имеет четко выраженную анизотропию, обуславливая тем пространственную неоднородность самого древесного материала, находящегося в естественном состоянии. Совместное воздействие на заготовку статических нагрузок и акустического поля сужает капиллярно-поровое пространство, вытесняя капиллярный сок, что приводит к созданию равномерно уплотненного древесного материала повышенной плотности. При этом плотность древесины готового изделия для некоторых пород древесины может увеличиваться в два и более раз.

Скорость введения заготовки в пресс-форму определяется скоростью, с которой водный остаток, покидает внутренний объем заготовки без ее разрушения. Возбужденное в заготовке мощное акустическое поле способствует выходу водного остатка и позволяет увеличить скорость прессования более чем в три раза, по сравнению с технологиями, в которых ультразвук не применяется. Этому способствуют звукокапиллярный эффект, разогрев древесного вещества за счет поглощения в нем ультразвука и развитие процессов кавитации в жидкости, заполняющей капиллярно-поровую систему древесины. Первые два эффекта приводят к уменьшению эффективной вязкости жидкости, а появление в капиллярно-поровой системе газовых полостей, давление в которых выше среднего давления в объеме жидкости, способствует более эффективному вытеснению водного остатка через капиллярные каналы из объема заготовки.