способ модификации древесины

Формула изобретения

1. Способ модификации древесины путем введения в ее пористую структуру металла при термическом разложении паров тетракарбонила никеля внутри древесины, отличающийся тем, что паты тетракарбонила никеля подают в нижнюю часть заготовки древесины со скоростью не более 20 л/ч на 1 см² площади поперечного сечения при перемещении зоны нагрева сверху вниз со скоростью 12-15 см/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для модификации используют древесину с влажностью не более 2 мас.%.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ получения древесно-металлических подшипников, в котором при конструировании подшипника чередуют древесные и металлические пластины (пат. РФ №2226240, F16C 33/04, 2004 г.). Недостатком способа является то, что в процессе трения не обеспечивается надежный контакт между металлическим и деревянным вкладышами. Отвод тепла осуществляется только через металлические вставки, а деревянные вкладыши обугливаются. При этом температура поверхностных слоев деталей подшипников снижается лишь на 20-25%.

Известны способы газофазной металлизации различных материалов и изделий из них путем термического разложения паров карбонилов металлов (Сыркин В.Г. CVD-металлизация. М.: Наука, 2000, 496 с.). Недостатком описанных способов является то, что осаждение металла происходит только на внешней поверхности изделий.

Наиболее близким к предложенному нами способу по совокупности признаков является способ модификации древесины, включающий сквозную пропитку древесины в автоклаве под давлением расплавленными металлами и сплавами (авт. свидетельство СССР №496177, В27К 3/08, 1975 г.). Недостатками способа являются: большой расход дорогостоящих легкоплавких металлов (свинец, сурьма, висмут, олово), так как содержание металла по массе составляет от 300 до 400% от массы древесины, а также невысокая теплопроводность получаемой металлизированной древесины (4-11 Вт/(м·град.), что объясняется тем, что при охлаждении расплава в древесине он застывает в виде дискретных столбиков, не связанных с древесиной и между собой, т.е. отсутствует сплошная зона теплопередачи.

Технической задачей данного изобретения является повышение теплопроводности древесины, обеспечивающей увеличение ресурса ее работы в подшипниках. Это достигается предложенным способом модификации древесины путем введения в ее пористую структуру металла. Согласно изобретению металл вводят путем термической диссоциации легколетучих металлоорганических соединений (МОС) при принудительной прокачке через древесину их паров при скорости не более 20 л/ч на 1 см² площади поперечного сечения заготовки при встречном движении тепловой зоны древесины с температурой, достаточной для разложения паров МОС, но не превышающей температуры деструкции древесины, со скоростью перемещения, не превышающей 15 см/ч. При этом для модификации используют древесину с влажностью не более 2 мас.%. В качестве исходных МОС используют карбонилы металлов. Осажденный металл равномерно распределяется внутрь древесины, обеспечивая с ней достаточно надежный контакт.

Принципиальная технологическая схема установки для модификации древесины представлена на чертеже.

Способ осуществляется следующим образом. Заготовку древесины (1), предварительно высушенную до влажности не более 2 мас.%, чтобы избежать ингибирования влагой процесса осаждения металла, помещают внутрь секционного нагревателя (2), расположенного вертикально в аппарате металлизации (3). При этом нижнюю часть заготовки герметично соединяют с испарителем карбонила (4). Аппарат закрывают и вакуумируют с помощью вакуум-насоса (6). Откачку из аппарата производят непрерывно со стороны, противоположной подаче паров карбонила. После этого включают все секции нагревателя и доводят температуру в них до величины на 20-30°С ниже температуры начала разложения паров применяемого карбонила и выдерживают при этой температуре в течение 10-15 минут до равномерного прогрева всего объема заготовки древесины. Затем температуру верхней секции нагревателя повышают до величины начала разложения паров карбонила металла и подают в нижнюю часть древесной заготовки пары карбонила со скоростью не более 20 л/ч на 1 см ² площади ее поперечного сечения. После этого последовательно сверху вниз включают следующие секции нагревателя, обеспечивая перемещение тепловой зоны со скоростью не выше 2,5 мм/мин.

С целью уничтожения неразложившихся в аппарате паров карбонила металла и выделяющегося в процессе оксида углерода в схеме предусмотрены печи соответственно (5) и (7).

Пример (см. чертеж)

Заготовку березовой древесины (1) с влажностью не более 2 мас.% и размерами в сечении 60×60 мм, высотой 100 мм, устанавливают в 3-секционный электронагреватель (2). Аппарат для металлизации (3) закрывают и систему вакуумируют до остаточного давления 8 Па. Затем включают нагрев всех трех секций электронагревателя (2) и доводят в них температуру до 120°С. Температуру верхней секции повышают до 140°С и из испарителя подают пары тетракарбонила никеля со скоростью 15 л/ч. После этого через 15 минут последовательно повышают температуру второй и третьей секций электронагревателя, обеспечивая скорость перемещения температурной зоны нагревателя приблизительно равной 140°С навстречу потоку паров карбонила со скоростью 15 см/ч. Через 50 минут после начала подачи паров карбонила прекращают их подачу в аппарат и выключают электронагреватели. Откачку системы продолжают до остывания нагревателей до комнатной температуры. Полученную модифицированную заготовку древесины анализируют на содержание осажденного металла и ее теплопроводность.

Таблица 1
№№ п.п.	Условия модификации	Полученные результаты в соответствии с номерами примеров
		1	2	3	4	5	6	7
1.	Скорость подачи паров тетракарбонила никеля, л/ч на 1 см2 площади сечения образца	15	18	20	22	25	20	20
2.	Скорость перемещения тепловой зоны, см/ч	15	15	15	15	15	10	18
3.	Привес заготовки, г	30	38	40	38	32	30	34
Примечания: 1. В качестве исходных заготовок использовалась березовая древесина размером 60×60×100 мм; 2. Для осаждения металла использовался тетракарбонил никеля.

Таблица 2
№№ пп.	Наименование показателей	Полученные результаты
		по авт. свид. №4961177	по предлагаемому способу в соответствии с примерами
			1	2	3	4	5	6	7
1.	Плотность модифицированной древесины, кг/м 3	5800	1410	1480	1490	1450	1430	1400	1430
2.	Содержание металла, мас.%	350	15	19	20	19	16	10	17
3.	Теплопроводность вдоль волокон, Вт/(м2·°С)	11	30	40	41	38	36	29	38
4.	Температура в зоне трения, °С	122	105	95	88	95	105	106	100

Как следует из таблиц 1 и 2, в случае модификации древесины по предложенному способу (пример 3) наблюдается значительное (более чем в 3 раза) увеличение теплопроводности древесины вдоль волокон по сравнению с прототипом и, как следствие, уменьшение температуры в зоне трения, благоприятно сказывающееся на эксплуатационных характеристиках полученных заготовок.

При модификации древесины с меньшей скоростью подачи паров карбонила и, соответственно, меньшим количеством введенного никеля (примеры 1 и 2) температура в зоне трения увеличивается (по сравнению с примером 3). В случае повышения скорости подачи паров карбонила до 22-25 л/ч и более наблюдается частичная забивка отдельных каналов древесины и неравномерное осаждение металла внутри ее (примеры 4 и 5), что приводит к снижению теплопроводности древесины.

Увеличение скорости перемещения тепловой зоны выше 15 см/ч приводит к неравномерному прогреву всей массы древесины и, соответственно, неравномерному осаждению никеля в отдельных каналах. При меньшей скорости перемещения тепловой зоны наблюдается частичная забивка отдельных каналов древесины. Все это также ухудшает теплопроводность древесины и увеличивает температуру в зоне трения.

Предложенный способ позволяет изготавливать подшипники скольжения для высокооборотных узлов трения, например, в деревообрабатывающих станках, автомобилях, авиации. Подшипники из металлизированной прессованной древесины будут в 5-6 раз легче подшипников скольжения из цветных металлов и сплавов, а также шарикоподшипников, а по теплопроводности и антифрикционным свойствам будут соответствовать им.