Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНОГО ПОКРЫТИЯ НА ДРЕВЕСИНЕ

Изобретение относится к способам обработки древесины, используемой, например, в качестве строительного материала, для улучшения декоративных и эксплуатационных свойств деревянных образцов.

Древесина является одним из наиболее распространенных строительных материалов. Одним из основных показателей, снижающих конкурентоспособность древесины по сравнению с металлами и синтетическими материалами - это относительно малый срок эксплуатации. Решающим фактором в пригодности изделий из древесины является влияние грибковой инфекции вследствие естественного содержания в ней влаги. Поэтому риск грибкового поражения, который особенно проявляется под действием погодных факторов, а также влажности постоянного или переменного характера, должен быть обязательно учтен. Однако традиционные методы защиты древесины, например нанесение лакокрасочного покрытия, обладают рядом недостатков. Естественная гигроскопичность древесины, которая проявляется в ее набухании и усыхания в среде с переменной влажностью, является причиной возникновения напряжений и в результате поверхностных трещин, которые могут привести к разрушению защитного лакокрасочного покрытия, а следовательно, и к снижению гидрофобных свойств и прочности. Использование химической защиты в некоторых случаях может сопровождаться вымыванием защитных веществ, понижает эффективность защиты в целом и оказывает негативное влияние на окружающую среду. Известна антисептическая защита сырой древесины и пиломатериалов от гниения путем нанесения состава по авт. свид. СССР № 489638, кл. B27K 3/52 от 3.12.73 г., который включает пентахлорфенолят натрия 38-42, тиомочевину 10-12, минеральное масло 2,0-2,5, трифенилфосфат 1,5-2,0 т и углекислый натрий 41,5-48,5. Недостатком указанного препарата является то, что активность его проявляется только при высоких концентрациях в водных растворах. Антисептик относится к 1-му классу опасности, т.е. он токсичен для окружающей среды. Кроме того, антисептические свойства препарата поддерживаются только при постоянной подпитке рабочих растворов, при этом качество древесины ухудшается, что ухудшает технологию ее переработки. Известен способ обработки древесины путем нанесения на ее поверхность пропитывающей жидкости в виде экстрактов натуральных веществ (Способ приготовления протравы (бейца) для дерева. Авт. Свид СССР №52527, кл. C09D 15\00, 1935 г.). Такая обработка позволяет придать малоценным породам древесины внешний вид ценных пород. При этом краситель проникает в древесину на глубину около одного миллиметра. Составы для морения древесины изменяют внешний вид только на поверхности древесины, что делает невозможной последующую механическую обработку изделий из мореной древесины.

Известен также способ обработки древесины путем воздействия на нее смесью газообразных аммиака и кислорода или последовательно газообразным аммиаком и затем газообразным кислородом в течение 10-160 мин при давлении 1-30 атм и температуре 100-180°C (Заявка на изобретение РФ №95108649, B27K 5/02 от 20.08.1996). Способ позволяет повысить декоративность древесины. Недостатком вышеуказанного способа является длительность и многостадийность процесса обработки, а также использование для обработки древесины автоклава, что ограничивает размеры обрабатываемых образцов.

Наиболее близким по технической сущности является способ обработки древесины, идущей на изготовление дек струнных и щипковых музыкальных инструментов (верхние и нижние деки корпуса скрипки, альта, гитары и т.п.), для улучшения акустических свойств деревянных заготовок (Патент на изобретение РФ №2185283, МПК B27K 3/15, B27K 3/34, B27M 3/16). В предлагаемом способе деревянная заготовка детали музыкального инструмента проходит стадии вакуумирования, последующей обработки мономером, выбранным из ряда: ацетилен, пропан, бензол, и его полимеризации, причем обработку проводят в плазме тлеющего разряда углеводорода, при давлении от 4 до 20 Па и плотности тока разряда от 0,4-3 мА/см² в течение 5-40 минут. Способ улучшает резонансные и гидрофобные свойства древесины.

Недостатком вышеуказанного способа, выбранного в качестве прототипа, является многостадийность и длительность процесса обработки.

Перед изобретением стоит задача улучшения эксплуатационных и декоративных свойств древесины более экономичным способом. Технический результат заключается в повышении устойчивости древесин к появлению грибков и плесени, в улучшении гидрофобных свойств и внешнего вида деревянной поверхности.

Задача решена следующим образом. Изобретение, как и прототип, включает термическую обработку поверхности с помощью плазмы. В отличие от прототипа, в предложенной технологии воздействию подвергают непосредственно поверхность древесины, при этом обработку деревянной поверхности проводят потоком низкотемпературной плазмы с удельной тепловой мощностью 1,8-2,6·10⁶ Вт/м² в течение 1-2 с.

Отличительные от прототипа признаки в предложенной совокупности не выявлены в известных информационных источниках. В процессе проведенного патентно-информационного поиска не было также обнаружено в уровне техники решений, касающихся непосредственного воздействия низкотемпературной плазмы на поверхность древесины для улучшения ее эксплуатационных и декоративных свойств. Вышесказанное подтверждает соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень», поскольку явно не следует из уровня техники.

Применение среды низкотемпературной плазмы позволяет модифицировать поверхность древесины и получить тончайшую функциональную (гидрофобную) пленку, которая улучшает физические свойства материала и не пропускает жидкость.

Экспериментальные исследования проводились на электроплазменной установке, которая состоит из плазменного генератора, графитового анода и источника питания постоянного тока. В качестве выносного анода был использован графитовый стержень диаметром 70 мм, установленный под углом 20° относительно горизонтали. Объектом исследования явились три породы древесины - осина, пихта, сосна.

Установлено, что глубина слоя модифицированного плазмой составляет 1-2 мм, она зависит от мощности плазмотрона и скорости обработки. Значение толщины слоя пропорционально глубине проникновения опасных температурных полей, при которых происходит деструкция материала.

На фиг.1 приведены результаты термического воздействия на исследуемые образцы при различных тепловых потоках и времени воздействия плазмы.

Из приведенных данных следует, что оптимальными режимами обжига с целью получения необходимых эксплуатационных характеристик обрабатываемой поверхности являются величины теплового потока 1,8-2,6·10⁶ Вт/м² и времени воздействия 1-2 с.

После плазменной обработки древесины поверхность окрасилась и приобрела темный, золотисто-коричневый цвет, при этом очень хорошо проявилась текстура породы, и стали более заметными годичные кольца, содержание влаги в древесине обработанной плазмой, сократилось.

Улучшение гидрофобных свойств исследуемых материалов после плазменной обработки подтверждается результатами экспериментов по определению водопроницаемости. Полученные результаты представлены на фиг.2 в виде графика зависимости расхода (поглощения) воды от времени выдержки, где V - объем поглощенной древесиной воды; t - время выдержки колбы с водой на поверхности древесины. Зависимости 1, 3, 5 соответствуют осине, пихте, сосне до их обработки низкотемпературной плазмой. Зависимости, 2, 4, 6 соответственно для осины, пихты, сосны после обработки их низкотемпературной плазмой.

Способ реализуют следующим образом. На конвейере устанавливают полозья на расстоянии 15-20 мм, между которыми оппозитно располагают деревянные бруски. Предварительной подготовки брусков не требуется. Их перемещают на конвейере в потоке низкотемпературной плазмы. В качестве источника низкотемпературной плазмы можно использовать плазменный генератор с вынесенной областью энерговыделения. При этом обработанные изделия возможно получать в цветовой гамме от светло- до темно-коричневого цвета, выбирая соответствующий режим согласно фиг.1. Полученные изделия используются в строительной области, в качестве материала несущих конструкций - в виде композитного клееного бруса, а также в качестве отделочного материала.

Технология плазменной обработки поверхностей древесины, за счет малого времени воздействия на обрабатываемые изделия, является значительно экономичней по сравнению с прототипом и традиционными способами термического воздействия. Поверхность после обработки является более устойчивой к появлению грибков, плесени и других пороков древесины за счет удаления подходящей для их формирования среды, кроме того, образцы древесины после термической обработки впитывают воду в несколько раз медленнее, чем исходные породы.

Таким образом, поставленная цель данного изобретения достигнута: благодаря использованию в качестве источника энергии при обработке поверхности деревянных образцов, генератора низкотемпературной плазмы. При этом, так же, как и у прототипа, на обрабатываемой поверхности образуется тончайшая функциональная пленка, которая улучшает эксплуатационные свойства материала и придает ее поверхности гидрофобные свойства.