СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и стройиндустрии и, в частности, к повышению параметров и расширению технологических возможностей использования древесины лиственных пород.

Способ модифицирования древесины, заключающийся в предварительной технологической подготовке древесной заготовки по геометрическим параметрам, форме, влажности, по пропитке ее полимеризационным раствором, последующей сушке и дальнейшего охлаждения. Новым является то, что древесную заготовку перед пропиткой ее полимеризационным составом предварительно подвергают сушке в вакуум - барокамере до влажности 2-3% и в течение 45-60 мин подвергают бруски действию вакуума 0,8 МПа, погружают заготовку в пропиточный, например, 20-25% водно-щелочной раствор ацетонформальдегидной смолы (АЦФ) в количестве, обеспечивающем полное погружение древесины, создают вакуум 0,8 МПа и выдерживают древесную заготовку в пропиточном растворе в течение 30-60 минут, создают в вакуум-барокамере в течение 2-3 часов гидравлическое давление 8-10 МПа, неиспользованный пропиточный раствор модификатора древесины перекачивают в резервный резервуар, в вакуум-барокамере создают вакуум 0,8 МПа и выдерживают 0,5-1,0 часа, восстанавливают давление в камере до атмосферного и осуществляют сушку древесины, пропитанную полимеризационным раствором, до влажности 5-8%.

Как вариант, предварительную сушку в вакуум-барокамере осуществляют двухступенчатым подъемом температуры в два этапа, на первом этапе устанавливают подъем температуры до 60°С и выдерживают не менее 3 часов, во втором этапе доводят температуру до 105°С и выдерживают не менее 2 часов или до влажности 3%, осуществляя постоянный сброс влаги из вакуум-барокамеры.

Возможно, что древесину, пропитанную полимеризационным раствором, на паллетах перемещают в туннельную СВЧ сушилку и проводят полимеризацию пропиточного раствора при температуре 75-88°С в течение 120-300 минут или до влажности 5-8%.

Кроме того, в пропиточный раствор водно-щелочной АЦФ вводят поглотители свободных фенолов - наночастицы Al(ОН)₃ или раствор «Fiberline 489» в количестве 1-2% от массы АЦФ.

А также в качестве антипирена используют кремнефтористый аммоний в количестве 2-3% от массы древесины.

Как вариант, компоненты пропиточного раствора взяты в следующем соотношении, мас.%:

АЦФ 20,0-22,0

Щелочь 0,6-1,1

Кремнефтористый аммоний 2,0-3,0

Al(ОН)₃ или «Fiberline 489» 0,2-0,3

Вода остальное

Описание изобретения

Предполагаемое изобретение относится к области пропитки древесины и может быть использовано в деревообрабатывающей промышленности и стройиндустрии.

Известны способы и составы для модифицирования древесины на основе патента 2147028; C09K 21/04, C09D 5/16, В27K 3/52, B05D 7/06, 27.03.2000 г. Рабочий пропиточный раствор наносится на защищаемую поверхность кистью или пульверизатором до прекращения впитывания, либо окунанием. Обработка многократная, минимум в 2-3 приема, с промежуточной выдержкой; возможна принудительная конвективная сушка. Пропиточный раствор приготавливают на рабочем месте путем последовательного растворения компонентов в горячей воде при температуре 50-60°С. Известный состав обладает повышенными огнезащитными свойствами и временем жизнеспособности за счет того, что антипирен дополнительно содержит аммиак и мочевину при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фенолоспирты - 25-35

Диаммонийфосфат - 9-10

Сульфат аммония - 6-7

Мочевина - 12-20

Аммиак - 2,3-2,7

Вода - остальное

В этом антипиренном составе фенолоспирты, полимеризуясь в древесине при хранении и нагревании, улучшают ее физико-механические свойства и снижают горючесть. Диаммонийфосфат оказывает огнезащитное действие на древесину, а мочевина и аммиак, повышая рН пропиточного раствора до 8,0-8,5, способствуют совмещению фенолоспиртов с диаммонийфосфатом и являются дополнительными антипиренами.

Известный состав имеет ограниченное использование только в условиях промышленного предприятия, так как пропитка полуфабрикатов и древесных материалов производится под давлением с последующим отверждением при четырехступенчатом повышении температуры с выдержкой в течение 9 часов. В результате получают огнестойкий древесно-полимерный материал, из которого изготавливают изделия. Пропитка древесины поверхностная.

Кроме того, производство огнестойких материалов относится к категории опасных для здоровья работников из-за действия фенола на нервную систему людей, вызывая острые хронические отравления при превышении предельно допустимой концентрации. Содержание паров фенола в воздухе рабочей зоны производственных помещений, согласно ГОСТ 12.1005-88, не должно превышать 0,3 мг/м³.

В качестве прототипа предлагаемого способа модифицирования древесины с учетом поставленной задачи и достигаемого при ее решении технического результата - улучшения свойств древесины лиственных пород с различной структурой материала, выбрано техническое решение [2].

Получение модифицированной древесины с использованием известного способа осуществляется по следующей технологии.

В емкость заливают карбамидноформальдегидную смолу КФ-90, с отвердителем (0,25% хлористый аммоний), затем добавляют предварительно подготовленную смесь фенолоспиртов марки В (ТУ-05-1164-81) и стабилизированного бутадиенстирольного латекса СКС-65П. Стабилизацию латекса осуществляют 10%-ным раствором эмульгатора ОП-7. Состав перемешивают в смесителе до появления равномерной светлой окраски.

Образцы древесины березы размерами 10×10×150 мм (последний размер вдоль волокон), плотностью 620 кг/м³ пропитывали предложенным составом.

Пропитка осуществляется по режиму: предварительное вакуумирование 20 мин (глубина вакуума 0,005 МПа); заливка пропиточного состава и выдержка образцов в течение 2 часов при давлении 1,2 МПа. Пропитанные образцы подсушивались при 80-90°С в течение 16-18 часов и подвергались термообработке при 110-120°С 4-6 часов для отверждения модификаторов.

Как показывают результаты испытаний, выход готовой продукции с 1 м³ заготовки по предлагаемой технологии составляет 45-50%.

Соотношение компонентов пропиточного состава составляет, мас.%:

Фенолоспирты 10-30

Латекс 5-15

Карбамидноформальдегидная смола 55-85

Введение в состав значительного количества карбамидноформальдегидной смолы, имеющей реакционноспособные группы, приводит к формированию более совершенной структуры древесно-полимерного композита. Так как высокополярные фенолоспирты проникают в клеточную стенку древесины, более длинные молекулы каучука заполняют полости крупных капилляров, а карбамидноформальдегидный полимер, легко связываясь с каучуком и фенолоспиртами, располагается по всей капиллярной системе древесины. Деформативность такой трехмерной полимерной сетки обеспечивается в основном молекулами каучука, связанными с фенолоформальдегидными и карбамидноформальдегидными полимерами.

Производство материалов строительного назначения из модифицированной древесины по технологии в соответствии с А.С. СССР 2065355; МКИ В27K 3/34, В27K 3/50, 1996 относится к категории опасных для здоровья работников из-за действия фенола на нервную систему людей, вызывая острые хронические отравления при превышении предельно допустимой концентрации.

Техническая задача, на решение которой направлен предлагаемый способ модификации древесины - расширение технологических возможностей использования древесины лиственных пород путем модификации структуры древесины, что способствует получению экологически безопасной модификации древесины с высокими физико-механическими свойствами для последующего экономически выгодного их использования в производстве различных изделий.

Способ модифицирования древесины, заключающийся в предварительной технологической подготовке древесной заготовки по геометрическим параметрам, форме, влажности, по пропитке ее полимеризационным раствором, последующей сушке и дальнейшего охлаждения. Новым является то, что древесную заготовку перед пропиткой ее полимеризационным составом предварительно подвергают сушке в вакуум-барокамере до влажности 2-3% и в течение 45-60 мин подвергают бруски действию вакуума 0,8 МПа, погружают заготовку в пропиточный, например, 20-25% водно-щелочной раствор ацетонформальдегидной смолы (АЦФ) в количестве, обеспечивающем полное погружение древесины, создают вакуум 0,8 МПа и выдерживают древесную заготовку в пропиточном растворе в течение 30-60 минут, создают в вакуум-барокамере в течение 2-3 часов гидравлическое давление 8-10 МПа, неиспользованный пропиточный раствор модификатора древесины перекачивают в резервный резервуар, в вакуум-барокамере создают вакуум 0,8 МПа и выдерживают 0,5-1,0 часа, восстанавливают давление в камере до атмосферного и осуществляют сушку древесины, пропитанную полимеризационным раствором, до влажности 5-8%.

Как вариант, предварительную сушку в вакуум-барокамере осуществляют двухступенчатым подъемом температуры в два этапа, на первом этапе устанавливают подъем температуры до 60°С и выдерживают не менее 3 часов, во втором этапе доводят температуру до 105°С и выдерживают не менее 2 часов или до влажности 3%, осуществляя постоянный сброс влаги из вакуум-барокамеры.

Возможно, что древесину, пропитанную полимеризационным раствором, на паллетах перемещают в туннельную СВЧ сушилку и проводят полимеризацию пропиточного раствора при температуре 75-88°С в течение 120-300 минут или до влажности 5-8%.

Кроме того, как вариант, в пропиточный раствор водно-щелочной АЦФ вводят поглотители свободных фенолов - наночастицы Al(ОН)₃ или раствор «Fiberline 489» в количестве 1-2% от массы АЦФ.

А также в качестве антипирена используют кремнефтористый аммоний в количестве 2-3% от массы древесины.

Как вариант, компоненты пропиточного раствора взяты в следующем соотношении, мас.%:

АЦФ 20,0-22,0

Щелочь 0,6-1,1

Кремнефтористый аммоний 2,0-3,0

Al(ОН)₃ или «Fiberline 489» 0,2-0,3

Вода остальное

Технология получения модифицированной древесины заключается в следующем: бруски распиливают на заданные размеры, придают заданную форму, заготовки укладывают на паллеты и затем помещают в вакуум-барокамеру, где осуществляется сушка двухступенчатым подъемом температуры. 1 этап - подъем температуры до 60°С и выдержка 3 часа. Волокна древесины расширяются и создаются условия для свободного перемещения влаги вдоль волокон древесины. 2 этап - подъем до 105°С, выдержка 2 часа. Свободная влага испаряется как с поверхности древесины, так и из внутреннего объема через волокна древесины. Во время сушки система автоматического контроля осуществляет постоянный сброс влаги из контейнера. Подготовленная древесина на паллетах подвергается в течение 45 мин воздействию вакуума 0,8 МПа. Сушка древесины проводится до влажности 3%. Выведенная из древесины вода удаляется из камеры через запорную арматуру. Внутренние волокна древесины под действием температуры расширены из-за разности давления внутри волокон и снаружи, эти технологические приемы способствуют более полному удалению из капилляров воды и влаги.

Подается в вакуум-барокамеру водно-щелочной раствор АЦФ модификатора структуры древесины в количестве, обеспечивающем полное погружение древесины.

Создается вакуум 0,8 МПа и осуществляется выдержка в течение 0,5-1,0 часа. Под воздействием вакуума в капилляры древесины закачивается пропиточный раствор.

Затем создается в вакуум-барокамере гидравлическое давление 8-10 МПа, благодаря которому пропиточный раствор проникает в подготовленные капилляры древесины. Спустя 2-3 часа, в зависимости от сорта древесины, неиспользованный раствор модификатора древесины перекачивается обратно в резервный резервуар.

В вакуум-барокамере в течение 0,2-0,5 часа снова создается вакуум, за счет которого с поверхности обрабатываемой древесины удаляются остатки пропиточного состава.

Давление в вакуум-барокамере восстанавливается до атмосферного. За счет разницы давлений (низкого внутри обрабатываемого материала и атмосферного в камере) модифицирующий состав полностью проникает в капилляры древесины.

Подготовленная древесина на паллетах перемещается, например, в туннельную СВЧ сушилку. Время сушки 2-5 часов при температуре 75-88°С, где происходит дальнейшая сушка и полимеризация. Такая технологическая последовательность обеспечивает повышение выхода бездефектной древесины с 45-50% до 70-90%. Древесина не растрескивается, и ее не коробит.

Уменьшение объемных напряжений, улучшение контактных взаимодействий между волокнами древесины, при осуществлении заданного режима модифицирования, обеспечивается за счет температуры процесса полимеризации, которая не превышает 95°С, а внутренние напряжения не превышают предельных значений механической прочности волокон древесины. Процесс охлаждения производят на воздухе вне СВЧ сушилки.

В результате описанных выше технологических приемов и режимов модифицированный древесный образец имеет высокую плотность, значительно превышающую по своей величине плотность исходного древесного образца, при этом величина плотности образца стабильна по его объему. При полной глубине обработки удаляются микротрещины с поверхностного слоя древесной заготовки, образующиеся в результате технологической выдержки, повышаются физико-механические свойства древесины и противопожарная безопасность.

Механизм стабилизации модифицированной древесины определяется тем, что при нагревании водно-щелочного раствора АЦФ до 88°С в слабощелочной среде происходит поликонденсация полимерной смолы с образованием макромолекул линейного строения. Реакция взаимодействия целлюлозы с АЦФ протекает с образованием сложных эфиров. АЦФ смола взаимодействует также с лигнином. Лигнины представляют собой аморфные высокомолекулярные соединения аромотической природы, построенные из фенил пропановых звеньев. Происходит армирование природного полимера пропиточным составом с образованием нового типа древесины. Физико-механические характеристики представлены в таблице 1.

Введение в состав полимера наночастицы Аl(ОН)₃ или раствора «Fiberline 489» способствует поглощению свободных фенолов, что позволяет отнести данную модифицированную полимером древесину к 4 категории опасности.

Анализ полученных результатов показал, что лучшие результаты получены при пропитке древесины модификатором АЦФ по предлагаемой технологии для всех испытанных пород древесины. Показатель предела прочности при сжатии вдоль волокон древесины натуральной соответствует для березы 50 МПа, осины 36 МПа, дуба 64 МПа. Прочность древесины березы после пропитки и полимеризации составляет - 100-130 МПа, осины 100-120 МПа и дуба 110-126 МПа. Прочность древесины дуба модифицированного по предлагаемой технологии увеличилась на 38% по сравнению с модификацией по прототипу и на 72% по сравнению с контрольным. Осина, модифицированная по предлагаемой технологии, увеличила прочность на сжатие по сравнению с модификацией по прототипу на 64% и по сравнению с контрольным составом на 177%.

Береза, модифицированная по предлагаемой технологии, увеличила прочность на сжатие по сравнению с модификацией по прототипу на 29% и по сравнению с контрольным образцом на 80%.

Влагопоглощение в воде за 24 часа с 70-80% снижается до 2-8% для всех исследуемых пород древесины.

Источники информации

1. Патент 2147028; C09K 21/04, C09D 5/16, В27K 3/52, B05D 7/06; номер заявки: 99106231/04; дата подачи заявки: 06.04.1999; дата публикации: 27.03.2000.

2. А.С. СССР 2065355; МКИ В27K 3/34, В27K 3/50, 1996; номер заявки: 5055017/04; дата подачи заявки: 22.05.1992; дата публикации: 20.08.1996.