Способ получения модифицированной древесины

Изобретение относится к области обработки древесины, в частности, к способам производства заготовок из модифицированной древесины высокой формостабильности.

Известен способ получения модифицированной древесины, включающий пропитку древесины водным 40%-ным раствором карбамида до концентрации карбамида 10-15% от массы сухой древесины, содержащим 6% уротропина (гексаметилентетрамина) от массы сухого карбамида, сушку при температуре 90-120°С с одновременным прессованием до плотности 800-1200 кг/м³. Максимальное объемное разбухание такой древесины составляет 22-25%. (Пат. РФ №2131351; МПК В27К 3/50; опубл. 10.06.99).

Недостатком данного способа является недостаточная формостабильность модифицированной древесины и токсичность получаемого материала, так как уротропин в процессе высокотемпературной сушки частично разлагается с выделением формальдегида и аммиака.

Известен способ получения модифицированной древесины, включающий пропитку древесины водным 40%-ным раствором карбамида, содержащим 10-12% карбамидоформальдегидного олигомера (КФО) от массы сухого карбамида и карбамидоформальдегидную смолу ПКП-52 в количестве 21-25% от массы КФО, сушку, прессование, обработку импульсным магнитным полем и термообработку при температуре 140-160°С. Получаемая модифицированная древесина имеет объемное разбухание 7-9%. (Пат. РФ №2401195; МПК В27К 3/50, В27К 3/04, В27К 5/04, В27К 5/06, В27К 7/00; опубл. 20.04.2010).

Недостатком известного способа является ограниченность его применения, так как обработку заготовок древесины импульсным магнитным полем можно проводить только протягиванием через катушку диаметром до 85 мм, следовательно, заготовки должны иметь сечение не более 60×60 мм или диаметр до 80 мм. Кроме того, материал является токсичным из-за выделения формальдегида из карбамидоформальдегидного олигомера и может использоваться только для производства подшипников и шахтной крепи.

Известен способ склеивания модифицированной древесины, при котором в клей добавляется нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ) в количестве 9,5-10% от массы клея, проводятся обработка клея ультразвуком и последующая обработка склеенных заготовок импульсным магнитным полем (Пат. РФ №2454444; МПК C09J 5/00, C09J 161/24, В82В 1/00; опубл. 27.06.2012).

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет получить саму модифицированную древесину, так как активированная ультразвуком и импульсным магнитным полем нанокристаллическая целлюлоза упрочняет только клей и клеевой шов.

Известен способ получения модифицированной древесины, включающий пропитку заготовок древесины 30-40%-ным намагниченным водным раствором карбамида, содержащим форконденсат карбамидоформальдегидного олигомера в количестве 12% от массы раствора и 18% 2%-ного водного раствора нанофибриллярной целлюлозы (НФЦ) от массы карбамидоформальдегидного олигомера, сушку при температуре 120°С, прессование и термообработку при 140°С. (Пат. РФ №2476311; МПК В27К 3/50, В27К 3/02, В27К 3/34, B82Y 99/00; опубл. 27.02.2013). Принят за прототип.

Недостатком известного способа является то, что, хотя он и позволяет в 2 раза снизить степень прессования в сравнении с древесиной, не содержащей наноцеллюлозу, объемное разбухание в воде достигает 30-32%. Кроме того, такая древесина является токсичной из-за выделения формальдегида из карбамидоформальдегидного олигомера при сушке и термообработке.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - получение нетоксичной модифицированной древесины высокой формостабильности и низкой токсичности.

Для решения этой задачи в способе получения модифицированной древесины, включающем пропитку заготовок раствором карбамида, сушку, прессование и термообработку, согласно изобретению, пропиточный раствор готовят с добавлением в 2%-ный гидрогель нанокристаллической целлюлозы 20% сухого карбамида, полученным раствором пропитывают заготовки древесины до содержания карбамида в древесине 8-10% и содержания нанокристаллической целлюлозы 1% от массы сухой древесины, после этого заготовки высушивают при давлении 0,8 МПа и температуре 100-120°С до влажности 6-8% и проводят термообработку при температуре 160-170°С в течение 3-4 часов.

Технический результат состоит в следующем. Нанофибриллярная целлюлоза используется после активации, в основном, для упрочнения древесины, формоустойчивость модифицированной НФЦ древесины увеличивается незначительно. Нанокристаллическая целлюлоза также требует активации ультразвуком, импульсным магнитным полем и т.д. (Пат. РФ №2454444; МПК C09J 5/00, C09J 161/24, В82В 1/00; опубл. 27.06.2012).

Как установлено, при термической обработке карбамида при температуре 160°С в течение 4 часов или при температуре 170°С в течение 3 часов практически весь карбамид расплавляется и переходит в продукт термораспада - изоциануровую кислоту. При этих режимах термообработки нанокристаллическая целлюлоза активируется и вступает в реакцию с изоциануровой кислотой, образуя трехмерные полимерные продукты, увеличивающие формостабильность модифицированной древесины по формуле:

где Cell-ОН - нанокристаллическая целлюлоза.

Кроме того, активированная НКЦ также способствует частичному взаимодействию изоциануровой кислоты с компонентами древесины, т.е. лигнином, целлюлозой и гемицеллюлозами, что также увеличивает формостабильность модифицированной древесины.

Способ осуществляют следующим образом. Берется 2%-ный гидрогель нанокристаллической целлюлозы, выделенной из водной дисперсии «WHISKERS» методом сублимационной сушки с размером частиц 100-400 мкм. Гранулы карбамида размалываются до размера частиц 0,1-0,2 мм и растворяются в гидрогеле НКЦ путем интенсивного перемешивания до концентрации карбамида 20%, т.е. в полученном гидрогеле содержание НКЦ будет 2%. Полученным раствором пропитывают заготовки древесины до содержания карбамида в древесине 8-10% и содержания НКЦ 1% от массы сухой древесины.

После этого заготовки высушивают под механическим давлением 0,8 МПа и температуре 100-120°С до влажности 6-8% и проводят термообработку при температуре 160-170°С в течение 3-4 ч.

Поскольку устойчивый гидрогель НКЦ не может содержать НКЦ более 2%, то возникает необходимость добавлять сухой карбамид в гидрогель в количестве 20% от массы гидрогеля. Концентрация в гидрогеле НКЦ карбамида не может превышать 20%, т.к. при превышении этого количества НКЦ выпадает в осадок.

Режим термообработки выбирается из следующих соображений. Температурная активация НКЦ начинается со 160°С. При температуре выше 170°С древесина резко начинает терять прочность. Время термообработки 3-4 часа выбирается из условия термораспада карбамида до изоциануровой кислоты.

Способ получения модифицированной древесины может быть осуществлен по указанным примерам.

Пример 1.

Готовится пропиточный раствор путем добавления в 2%-ный гидрогель НКЦ 20% сухого измельченного карбамида и перемешивания в течение 15 мин. Брус из осины сечением 100×100 мм длиной 1 м пропитывается полученным раствором с торца под давлением в течение 2 ч. В результате содержание в древесине карбамида составило 8%, а содержание НКЦ - 0,8% по отношению к массе абсолютно сухой древесины. Пропитанный брус высушивался при температуре от 100°С (начальная) до 120°С (конечная) до влажности 4% в течение 46 ч с одновременным уплотнением при давлении 0,8 МПа. После этого давление сбрасывается до 0,1 МПа, и проводится термообработка при температуре 160°С в течение 4 ч. Плотность модифицированной древесины составила 850 кг/м³, предельное объемное разбухание в воде - 8%.

Пример 2.

Готовится пропиточный раствор по примеру 1. Оцилиндрованное бревно из древесины березы диаметром 26 см и длиной 3 м пропитывается с торца под давлением до содержания карбамида 10% и гидрогеля НКЦ 1% по отношению к массе абсолютно сухой древесины в течение 1,5 ч. Пропитанное бревно разрезается на брус сечением 120×120 мм длиной 3 м и сушится при температуре от 100°С (начальная) до 120°С (конечная) в течение 49 ч до влажности 4% с одновременным уплотнением при давлении 0,8 МПа. После этого давление сбрасывается до 0,1 МПа, и проводится термообработка при температуре 170°С в течение 3 часов. Плотность модифицированной древесины составила 900 кг/м, предельное объемное разбухание в воде - 9%.

В результате получается экологически чистая модифицированная древесина, так как карбамид, изоциануровая кислота и НКЦ относятся к четвертому классу опасности. Выделяющийся при разложении карбамида аммиак улетучивается из древесины вместе с парами воды. Свойства модифицированной древесины в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.

Полученная по заявляемому способу модифицированная древесина отличается нетоксичностью, высокой формостабильностью и может найти широкое применение в качестве полноценного заменителя ценной древесины дуба, ясеня, грецкого ореха в товарах народного потребления, например, при производстве террасной доски, наружных окон, дверей, бань, беседок и т.п.