Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к производству деталей трения из модифицированной древесины.

Изобретен способ получения модифицированной древесины и устройство для его осуществления, включающий сушку, прессование древесины поперек волокон и сушку в поле СВЧ (см. пат. РФ №2151691, МКИ В27М 1/02, 1999 г.). Недостатком способа является невозможность получения древесины с плотностью древесинного вещества и большая трудоемкость, т.к. все операции осуществляются традиционными длительными способами.

Известен способ получения модифицированной древесины, включающий пластификацию древесины карбамидом, сушку и трехстороннее прессование (см. авт. свид. СССР №1655780, МКИ В27К 5/06, 1991 г.). Недостатком способа является большая трудоемкость и невозможность получения заготовок больших размеров.

Также наиболее близкий к предложенному по совокупности признаков известен способ получения модифицированной древесины, включающий пластификацию древесины аммиаком, сушку, прессование в трех направлениях анизотропии древесины и фиксацию формы токами СВЧ (см. пат. РФ №2232675, МКИ В27К 5/06, В27М 1/02, 2004 г.).

Недостатком способа является его трудоемкость, т.к. ряд операций длительны, малопроизводительны и трудоемкие. Такими операциями являются сушка исходной древесины, пропитка древесины аммиаком, сушка пропитанной древесины, сушка прессованной древесины токами СВЧ (фиксация формы).

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - сокращение длительности технологического процесса. Для решения этой задачи в способе, включающем сушку натуральной древесины, пластификацию, трехстороннее уплотнение, фиксацию формы и стабилизацию размеров, сушку до абсолютно сухого состояния производят в поле СВЧ воздействием импульсного потока удельной мощностью 0,08-0,12 Вт/см² и плотностью потока 1,0-1,2 Вт/см², длительностью 30 сек с интервалами 60 сек и окончательной обработкой конвективным способом при температуре 115-120°С пластификацию осуществляют воздействием ультразвука с напряженностью поля 25-30 Вт/см² в течение 80-100 сек, а стабилизацию размеров производят воздействием импульсного магнитного поля на замороженную жидким азотом древесину сериями от N=1500 до N=3000 симметричных треугольных импульсов с длительностью 10 мкс, амплитудой В₀=0,3 Тл и частотой следования 10 мс в течение 30-60 секунд.

Импульсное магнитное поле создается периодическим разрядом батареи конденсатов через низко индуктивный соленоид и контролируется по току заряда в цепи соленоида и по напряжению индукции на тестовой катушке индуктивности с соблюдением условия μ_в·В<<κ·Т, где μ_в - магнетрон Бора, В - индукция магнитного поля, κ - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура.

Обработка древесины постоянным ультразвуком широко используется для ускорения внедрения в нее жидкостей (пропитка), а также для стабилизации форм и размеров при обработке древесины в жидкости путем воздействия импульсного ультразвукового поля (З-ка №2005139951/12 с приоритетом от 20.12.2005 «Способ получения модифицированной древесины». МПК В27К 3/08, 3/50).

При обработке древесины постоянным ультразвуком с напряженностью поля 25-30 Вт/см² в течение 10-20 мин сухая древесина пластифицируется в такой же степени, как и при пластификации аммиаком. Если время обработки составляет менее 80 сек, древесина не успевает пластифицироваться, а при времени обработки более 100 сек древесина начинает терять прочность из-за термодеструкции.

Слабые импульсные магнитные поля (ИМП) используются для увеличения твердости древесины (Постников В.В., Левин М.Н. и др. Воздействие слабых импульсных полей на модифицированную древесину - Письма в ЖТФ, 2005, т.31, вып.9, с.14-19), но замораживание древесины жидким азотом с последующей обработкой ИМП приводит к созданию древесины, малочувствительной к воздействию влаги, когда разбухание и усушка снижаются в 8-10 раз. Это позволяет исключить введение химических стабилизаторов в древесину и операцию термообработки.

Способ осуществляется следующим образом. Заготовки древесины твердых лиственных рассеянно-сосудистых пород (бук, клен, граб, береза) после атмосферной сушки, влажностью 15-25%, помещают в сушильную камеру непрерывного действия, где высушивают до абсолютно сухого состояния в поле СВЧ воздействием импульсного потока удельной мощностью 0,08-0,12 Вт/см² и плотностью потока 1,0-1,2 Вт/см² длительностью 30 сек с интервалами 60 сек с окончательной обработкой конвективным способом при температуре 115-120°С в течение 30-40 мин в зависимости от размеров заготовки. После этого заготовки помещают в ультразвуковую установку, где происходит пластификация древесины воздействием ультразвука напряженностью 25-30 Вт/см² в течение 80-100 сек. Затем заготовки помещаются в матрицу коробчатого сечения, нагретую до температуры 60-80°С, и прессуют вдоль волокон действием пульсирующей нагрузки 10-20 МПа в течение 1-2 мин на горизонтальном прессе с пульсатором, одновременно проталкивая их в пресс-форму последовательного двухосного сжатия с клиновидным приемником и уплотняют в радиальном направлении на 9-29% и тангенциальном на 29% до плотности древесинного вещества участками по 100 мм с использованием основного и вспомогательного пуансонов, закрепленных на гидравлическом прессе усилием 630 тс. При этом упругие деформации замораживают за счет низкой температуры (-33°С) жидким азотом.

Вышедшая из пресс-формы замороженная заготовка обрабатывается импульсным магнитным полем (ИМП) сериями от N=1500 до N=6000 симметричных треугольных импульсов длительностью 10 мкс, амплитудой В₀=0,3 Тл и частотой следования 10 мс в течение 30-60 сек. В результате воздействия ИМП древесина не только гасит упругие деформации, но и приобретает высокую стабильность размеров, что исключает операции механической обработки и термозакаливания.

Пример. Заготовку из натуральной древесины березы размером 80×80×700 мм, плотностью 640 кг/м³ и влажностью 20% помещают в камеру СВЧ с двумя генераторами СВЧ полной мощностью 800 Вт каждый и частотой 2450 МГц так, чтобы большие основания упоров сопрягались с боковой поверхностью заготовки, а их оси были перпендикулярны оси заготовки. Включаются СВЧ-генераторы и на первом этапе прогревается заготовка до 70°С импульсами по 30 сек с промежутками по 60 сек. При мощности 350 Вт удельная мощность электромагнитной энергии СВЧ составляет 0,07 Вт/см², а плотность потока 0,7 Вт/см².

На втором этапе заготовка прогревается до 95°С импульсами по 30 сек с промежутками по 60 сек. При мощности 500 Вт удельная мощность составила 0,1 Вт/см², а плотность потока 1 Вт/см².

На третьем этапе заготовка прогревается до 110-115°С импульсом по 25 сек с промежутками по 80 сек. При мощности 800 Вт удельная мощность составила 0,16 Вт/см², а плотность потока электромагнитной энергии СВЧ 1,6 Вт/см².

На всех этапах нагрева заготовок в промежутках между импульсами электромагнитной энергии СВЧ заготовка обдувалась горячим воздухом на 10-15°С ниже температуры центральной зоны заготовки.

После третьего этапа прогрева заготовки импульсами СВЧ заготовка проталкивается следующей заготовкой в камеру сушки конвективным способом, где подвергается термической обработке температурой 115°С до конечной влажности 0-2% по всему поперечному сечению заготовки в течение 30 минут.

Высушенные заготовки транспортером подаются в ультразвуковую установку, где обрабатываются участками по 100 мм ультразвуковым полем напряженностью 25 Вт/см² в течение 100 сек.

Заготовки помещают в кассету коробчатого сечения и горизонтальным гидроцилиндром усилием 100 тс с пульсатором запрессовывают в пресс-форму последовательного двухосного сжатия с клиновидным приемником. При этом в начале заготовка прессуется вдоль волокон на 5-8% действием пульсирующей нагрузки 10-20 МПа в течение 1-2 мин, после чего уплотняется, проходя клиновидный приемник на 29% в радиальном направлении и окончательно в тангенциальном направлении на 29% на гидравлическом прессе усилием 630 тс до плотности древесинного вещества участками по 100 мм. Спрессованный участок замораживают жидким азотом (-33°С), после чего заготовку передвигают на 100 мм.

Далее спрессованный участок обрабатывают импульсным магнитным полем сериями от N=1500 до N=3000 симметричных треугольных импульсов с длительностью 10 мкс, амплитудой В₀=0,3 Тл и частотой следования 10 мс в течение 30-60 сек.

Использование данного способа позволяет исключить длительные операции химической пластификации древесины аммиаком, механической обработки и термозакаливания, что в конечном итоге сокращает длительность процесса в 2 раза, как видно из таблицы 1.