способ получения модифицированной древесины

Формула изобретения

Способ получения модифицированной древесины, включающий пропитку заготовок 30-40%-ным водным раствором карбамида, содержащим форконденсат карбамидоформальдегидного олигомера в количестве 10-12% от массы сухого карбамида, сушку, прессование и термообработку, отличающийся тем, что в пропиточный раствор добавляют отвердитель - карбамидоформальдегидную смолу марки ПКП-52 в количестве 21-25% от массы карбамидоформальдегидного олигомера, перед термообработкой на древесину в течение 30 с воздействуют импульсным магнитным полем с амплитудой 0,5 Тл, частотой следования импульсов 50 Гц и длительностью треугольных импульсов по основанию 30 мкс, термообработку проводят при температуре 140-160°С.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ получения модифицированной древесины, включающий сушку натуральной древесины, пластификацию, трехстороннее уплотнение, фиксацию формы и стабилизацию размеров, отличающийся тем, что сушку древесины до абсолютно сухого состояния осуществляют 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 с с интервалами 60 с с окончательной обработкой конвективным способом при температуре 115-120°С, пластификацию производят воздействием ультразвука напряженностью поля 25-30 Вт/см² в течение 80-100 с, а стабилизацию размеров осуществляют воздействием на замороженную жидким азотом древесину импульсного магнитного поля 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 с (патент РФ № 2006117652, кл. В27К 5/04, 10.12.2007, бюл. № 34, аналог).

Недостатком данного способа является то, что замораживание уплотненной древесины жидким азотом и последующая обработка импульсным магнитным полем дают стабилизацию размеров только для древесины плотностью более 1350 кг/м ³. У древесины меньшей плотности стабилизации размеров не происходит. Вторым недостатком известного способа является его дороговизна, обусловленная использованием СВЧ-излучения для сушки, ультразвука для пластификации и жидкого азота для замораживания.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ получения модифицированной древесины, включающий пропитку древесины 30-40%-ным водным раствором карбамида до содержания карбамида 10-15% от массы абсолютно сухой древесины, сушку заготовок под механическим давлением при 100-120°С с одновременной формостабилизацией, отличающийся тем, что пропитку осуществляют в водном растворе карбамида, содержащем 10-12% форконденсата карбамидоформальдегидного олигомера (КФО) от массы сухого карбамида, а температуру в конце сушки доводят до 130°С (патент РФ № 2229377, кл. В27К 5/04, 27.05.2004, бюл. № 15, прототип).

Недостатком данного способа является то, что объемное разбухание в воде древесины, модифицированной описанным известным способом, превышает 12%. Такая низкая формостабильность ограничивает круг возможных применений древесины, что и является главным недостатком известного способа. В частности, из нее нельзя изготавливать подшипники скольжения и шахтную крепь.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении объемного разбухания модифицированной древесины в воде.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе получения модифицированной древесины, включающем пропитку заготовок 30-40%-ным водным раствором карбамида, содержащим форконденсат карбамидоформальдегидного олигомера в количестве 10-12% от массы сухого карбамида, сушку, прессование и термообработку, согласно предложенному изобретению, в пропиточный раствор добавляют отвердитель - карбамидоформальдегидную смолу марки ПКП-52 в количестве 21-25% от массы карбамидоформальдегидного олигомера, перед термообработкой на древесину в течение 30 секунд воздействуют импульсным магнитным полем с амплитудой 0,5 Тл, частотой следования импульсов 50 Гц и длительностью треугольных импульсов по основанию 30 мкс, термообработку проводят при температуре 140-160°С.

Технический результат состоит в следующем.

Добавление к пропиточному раствору отвердителя в указанном количестве, выдерживание режима обработки импульсным магнитным полем при указанных параметрах в совокупности обеспечивают получение модифицированной древесины плотностью 800-1100 кг/м³ и максимальным объемным разбуханием в воде 7-9%, то есть почти в два раза меньше, чем при модифицировании известным способом.

Введение отвердителя ускоряет процесс полимеризации олигомера и увеличивает степень сшивки полимера с древесиной. За счет этого повышается формостабильность модифицированной древесины.

Дополнительное воздействие импульсного магнитного поля с указанными параметрами на полимер-модификатор делает этот процесс необратимым, то есть древесина, модифицированная по предлагаемому способу, не теряет стабильность своих свойств даже при длительном и циклическом воздействии влажности и температуры.

Термообработка при температуре 140-160°С дополнительно ускоряет процесс полимеризации, что снижает энергозатраты, а также повышает степень полимеризации, что улучшает формостабильность продукта.

Способ осуществляют следующим образом.

Приготавливают 30-40%-ный водный раствор карбамида, в который добавляют формконденсат карбамидоформальдегидного олигомера (КФО) в количестве 10-12% от массы сухого карбамида, а также карбамидоформальдегидную смолу марки ПКП-52 (ТУ 2223-255-00203447-98) (далее - отвердитель) в количестве 21-25% от массы КФО.

Карбамидоформальдегидная смола марки ПКП-52 в соответствии с ТУ 2223-255-00203447-98 представляет собой продукт поликонденсации карбамида и формальдегида с использованием карбамидоформальдегидного конденсата и модифицирующих добавок.

Карбамидоформальдегидная смола марки ПКП-52 (ТУ 2223-255-00203447-98) имеет степень полимеризации 10-15 тыс., тогда как форконденсат КФО 1-1,5 тыс., т.е. он является олигомером. Смола ПКП-52 выбрана потому, что она наиболее легко проникает в древесину, в отличие, например, от смолы КФЖ.

Введение отвердителя (карбамидоформальдегидная смола марки ПКП-52) в рабочий раствор позволяет не только ускорить процесс полимеризации, но и увеличить степень сшивки полимера с древесиной, за счет чего повышается формостабильность модифицированной древесины.

Заготовки из древесины пропитывают полученным раствором с торца под давлением 0,4-0,5 МПа. После пропитки в указанном режиме содержание карбамида от массы сухой древесины составляет 15-20%.

Далее заготовки высушивают при температуре 90°С до влажности 10-15%, после чего заготовки спрессовывают поперек волокон под механическим давлением 0,6-1,0 МПа до степени прессования 30% и сушат в пресс-форме до влажности 4-5%. После этого прессованную древесину обрабатывают в течение 30 секунд импульсным магнитным полем (ИМП) с амплитудой В ₀=0,5 Тл, частотой 50 Гц и длительностью треугольных импульсов по основанию 30 мкс и времени обработки 30 с.

Режимы импульсного магнитного поля (ИМП) выбраны экспериментальным путем, исходя из характеристик форконденсата КФО и смолы ПКП-52, на которые воздействует ИМП. Именно при этих параметрах ИМП происходит полимеризация форконденсата КФО с карбамидом и смола ПКП-52 «работает» как отвердитель.

Дополнительное воздействие импульсного магнитного поля на полимер-модификатор делает этот процесс необратимым, т.е. древесина, полученная по предлагаемому способу, не теряет стабильность даже при длительном и циклическом воздействии влажности и температуры.

Затем проводится термообработка при температуре 140-160°С в течение 2-3 ч. В результате получают модифицированную древесину плотностью 800-1100 кг/м ³, имеющую максимальное объемное разбухание в воде 7-9%, т.е. в два раза меньше, чем у прототипа (см. чертеж). Кроме того, прочность полученной древесины на 50% выше, чем у древесины, обработанной по способу-прототипу (см. таблицу).

Отличительные признаки режимов импульсного магнитного поля (ИМП) выбраны экспериментальным путем, исходя из характеристик форконденсата КФО и смолы ПКП-52, на которые воздействует ИМП. Именно при этих параметрах ИМП происходит полимеризация форконденсата КФО с карбамидом и смола ПКП-52 «работает» как отвердитель.

Указанное содержание отвердителя в растворе является оптимальным для повышения формостабильности древесины. При его содержании менее 21% от массы карбамидоформальдегидного олигомера объемное разбухание увеличивается до 14%. Повышение содержания отвердителя сверх 25% не приводит к дальнейшему снижению объемного разбухания ниже 8%.

Амплитуда ИМП выбрана равной 0,5 Тл из-за того, что при амплитуде происходит полимеризация КФО в присутствии отвердителя ПКП-52 и объемное разбухание древесины становится ниже 8%. При амплитуде, меньшей 0,5 Тл, объемное разбухание увеличивается до 14%, а при амплитуде, большей 0,5 Тл, объемное разбухание не уменьшается ниже 8%.

Экспериментально установлено, что для древесины более плотных пород содержание отвердителя и температуру термообработки целесообразно устанавливать вблизи верхних пределов указанных диапазонов.

Пример 1.

Брус из осины сечением 120×120 мм и длиной 3 м пропитывается с торца под давлением 0,4 МПа 30%-ным водным раствором карбамида объемом 50 литров, в который добавлено 10% КФО от массы раствора и 21% отвердителя карбамидоформальдегидной смолы марки ПКП-52 (ТУ 2223-255-00203447-98) от массы КФО. После пропитки содержание карбамида в древесине составляет 10-12% от массы сухой древесины. Пропитанную древесину сушат при температуре 90°С до влажности 10-15% и прессуют на степень прессования 30%. Затем прессованную древесину обрабатывают в течение 30 секунд ИМП с амплитудой В₀=0,5 Тл, частотой следования импульсов 50 Гц при ширине длительности треугольных импульсов по основанию 30 мкс. После этого проводится термообработка при температуре 140°С в течение 2 часов. Объемное разбухание в воде полученной модифицированной древесины не превышает 8,9%.

Пример 2.

Брус из березы сечением 120×120 мм и длиной 3 м пропитывается с торца под давлением 0,5 МПа 40%-ным водным раствором карбамида объемом 40 литров, в который добавлено 12% КФО от массы раствора и 25% отвердителя карбамидоформальдегидной смолы ПКП-52 (ТУ 2223-255-00203447-98) от массы КФО. После пропитки содержание карбамида в древесине составляет 10-12% от массы сухой древесины. Пропитанную древесину сушат при температуре 90°С до влажности 10-15%, после этого прессуют на степень прессования 30%. Затем прессованную древесину обрабатывают в течение 30 секунд ИМП с амплитудой В₀=0,5 Тл, частотой следования импульсов 50 Гц при ширине длительности треугольных импульсов по основанию 30 мкс. После этого проводится термообработка при температуре 160°С в течение 2 часов. Объемное разбухание в воде полученной модифицированной древесины составляет 7,2%.

Использование предложенного способа позволяет снизить объемное разбухание модифицированной древесины в воде приблизительно в два раза по сравнению с известным способом. Кроме того, как видно из таблицы, прочность древесины, модифицированной предложенным способом, на 50% выше, чем у древесины, модифицированной наиболее близким известным способом.

Этого достаточно для того, чтобы существенно расширить сферу применения такой древесины. Учитывая, что в предложенном способе используются нетоксичные и недорогие марки стабилизаторов, можно утверждать, что она найдет широкое применение в качестве подшипников скольжения и шахтной крепи.

Свойства древесины, модифицированной согласно патенту РФ № 2229377 и предложенным способом
Характеристика материала и условия его получения	Прототип - патент № 2229377	Предложенный способ
Содержание отвердителя (карбамидоформальдегидная смола марки ПКП-52)		10 12%
Амплитуда ИМП, Тл	-	0,5
Объемное разбухание за 14 суток в воде	14 18%	7 9%
Предел прочности при сжатии вдоль волокон, МПа	90	135
Содержание продукта полимеризации КФО	3%	5%
Плотность	900 кг/м3	900 кг/м3
Влажность	4%	4%

Отпускная цена получаемого материала составит 39 тыс.руб./м³, тогда как стоимость аналога - древесно-слоистого пластика ДСПВ - составляет 120 тыс.руб./м ³.