способ обработки древесины для музыкальных инструментов

Формула изобретения

Способ обработки древесины для музыкальных инструментов путем вакуумирования, последующей обработки углеводородным мономером и его полимеризации, отличающийся тем, что обработку проводят в плазме тлеющего разряда углеводорода при парциальном давлении от 4 до 20 Па и плотности тока разряда 0,4-3 mA/см² в течение 5-40 мин, а углеводородный мономер берут из ряда: ацетилен, пропан, бензол.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания способов обработки древесины (ели и клена), 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.

Известно, что обычная древесина любых пород дерева, в том числе и отборная древесина резонансной ели и клена, имеет изначально переменное расстояние между волокнами, образующими текстуру дерева, а вещество, заполняющее пространство между волокнами, имеет развитую поровую структуру и гигроскопично. Из-за этих особенностей древесины при переменной влажности и температуре геометрические размеры и масса изделий из нее меняются, что приводит к ухудшению резонансных характеристик музыкальных инструментов. Для устранения этих негативных явлений поверхность деревянных изделий покрывают пленками различных органических веществ (восками, лаками, маслами и т.п.). Такие покрытия в той или иной степени решают проблему атмосферостойкости и размерной стабильности изделий из дерева, но ухудшают резонансные характеристики, так как увеличивают массу изделия и закрывают поры и капилляры поверхностного слоя.

Хорошо известно, что для получения хороших акустических характеристик в широком диапазоне частот необходимо, чтобы отношение модуля упругости материала к его плотности было как можно выше. На этой закономерности основана разработка конструкционного композиционного материала для дек резонаторов музыкальных инструментов, который состоит из очень тонких графитовых нитей с модулем упругости 1,810¹¹ Па и плотностью менее 2 г/см³, связанных между собой полимерным материалом с плотностью 0,15-1 г/см³ (патент США 4,364,990). Однако такой материал при всех своих высоких показателях по атмосферостойкости достаточно дорог и не обеспечивает эквивалентные резонансные характеристики во всем частотном диапазоне слышимых звуков классических высококачественных музыкальных инструментов.

Аналогичную задачу решает композиционный материал слоистого типа для изготовления дек, который содержит в качестве среднего слоя лист из стали толщиной 0,5-1,5 мм и наружные слои из деревянного или пластмассового шпона с соотношением толщины со средним слоем от 1:3 до 1:6 (патент США 4,337,682). Однако и в этом случае при хорошей атмосферостойкости резонансные характеристики во всем диапазоне частот не всегда совпадали с характеристиками резонансной ели, а музыкальные инструменты, изготовленные по этой технологии, не обладали насыщенным богатством звука как классические музыкальные инструменты.

Известны также способы модификации поверхности металлов и полупроводников с помощью нанесенного в плазме углеродистого слоя путем поверхностной полимеризации радикалов, полученных в разряде при разрушении молекул углеводородов типа метана (патент США 5,750,210). При этом поверхность приобретала улучшенные характеристики по твердости, коэффициенту трения, электропроводности. Данное изобретение было направлено для разработки защитных покрытий на полупроводниковые элементы.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является патент США 4,678,715 "Process for improving wood and use of the improved wood" с приоритетом от 07.07.1987 г. В этом изобретении пластины обычной древесины (сосна, ель, тополь и т.п.) с расстояниями между годовыми кольцами около 2 мм в воздушно-сухом состоянии (влажность менее 10%) вакуумировалась в камере до давления 2,51010³ Па, а затем в камеру подавались пары мономера (фурфурол, фенол, формальдегид - любой мономер, который при повышенных температурах и давлении способен полимеризоваться при взаимодействии с поверхностью древесины) до насыщения им поверхностного слоя древесины. На второй стадии процесса древесина снова вакуумировалась до давления 2,51010³ Па. Затем в камере создавали избыточное давление инертного газа (например, азота) 0,31,5 МПа и повышенную температуру 140200^oС в течение 0,58 час. Авторы патента 4,678,715 считают, что на первой и второй стадиях обработки из древесины улетучиваются нестабильные вещества типа гемицеллюллозы, а на второй стадии происходит полимеризация мономера на поверхности стенок пор и капилляров в поверхностном слое древесины. В результате образования термореактивного полимера на стенках капилляров происходит увеличение плотности древесины на 2% и увеличение модуля упругости на 1020%. Для обработанной таким образом древесины фактор акустических потерь несколько выше, чем у необработанной древесины. Отношение модуля упругости к плотности у необработанной древесины 27,127,4, а у обработанной несколько выше: 28,328,7. Авторы рассматриваемого патента утверждают, что струнные музыкальные инструменты, изготовленные из древесины, обработанной по данной технологии, не уступают по качеству звучания старинным итальянским инструментам При этом акустические характеристики стабильны в условиях переменной влажности (акустические испытания выполнены по требованиям DIN 53440).

Недостатками прототипа является то, что процесс обработки является длительным и многостадийным, в процессе используются экологически опасные вещества, а полученный эффект по улучшению акустических характеристик незначителен. Авторы не указывают насколько пригоден полученный композиционный материал типа древесина-фенолформальдегид для последующего нанесения качественного декоративного покрытия (лака).

Задача настоящей разработки - улучшить резонансные характеристики древесины при сохранении основных характеристик ее поровой структуры и придании поверхности гидрофобных свойств.

Это достигается тем, что на поверхности заготовки деки из древесины (ели или клена) создается композиционный грунтовочный слой из собственных волокон древесины, скрепленных между собой углеродистым материалом, полученным за счет полимеризации ацетилена (или других углеводородов с отношением С/Н, близким к единице) в плазме тлеющего разряда. Эксперименты по плазмохимическому нанесению полимерных пленок проводились с использованием водоохлаждаемого спирального катода, имеющего все свойства полого катода. Мощность разряда достигала 2250 Вт. Полый катод выполнен в форме спирали из медной трубки, покрытой титаном, с наружным диаметром 7 мм, внутренним диаметром 3 мм, длиной 4500 мм.

При этом охлаждение водой и нанесение на поверхность медной трубки титана предотвращает эрозию металла катода в условиях разряда и разогрев подложки излучением от раскаленного катода. В результате даже при предельно высоких мощностях разряда полимеризация была поверхностной, а не объемной (порошкообразный полимер не образовывался). Технологические параметры, при которых проводились наши эксперименты, приведены в табл. 1

Сопоставление свойств древесины, обработанной по режимам 1-9, показало, что оптимальные результаты по оптическим характеристикам древесины получены при обработке по режиму 1.

Газы органической природы в результате ионизации в тлеющем разряде образуют смесь возбужденных радикалов и ионов, которые при конденсации на подложке полимеризуются в углеводородный полимер с соотношением C/H=0,30,9 (эта величина зависит от параметров разряда - чем выше плотность разряда, тем меньше эта величина). Углеводородный полимер осаждается в порах и капиллярах поверхностного слоя древесины на глубине до 0,5 мм. Процесс полимеризации производных углеводородов из плазмы начинается на заостренных волокнах древесины.

Первоначально образуются единичные полимерные глобулы, имеющие размер в доли микрона. При выдержке в тлеющем разряде в течение 5 мин средний размер полимерных глобул составит 0,120 мкм (минимальный - 0,062, максимальный - 0,2 мкм), через 10 мин размеры возрастают до 0,157 (минимальный - 0,0724 мкм, максимальный - до 0,455 мкм). По мере роста глобулы смыкаются и закрывают поры и другие структурные неровности, однако размер единичной глобулы никогда не превышает 1 мкм. Методом ртутной порометрии была исследована поровая структура еловой древесины до и после обработки в плазме тлеющего разряда в ацетилене Из полученных данных следует, что исходная древесина содержит три основных вида пор с диаметром около 0,01 мм, 0,3 мкм и третья группа 8-9 нм. Через 40 мин. обработки первая группа пор уменьшается до 0,002 мм, вторая группа пор уменьшается до 0,03 мкм, а третья до 6 нм. Дальнейшее увеличение времени обработки не меняет ни распределение пор, ни механические свойства древесины. При времени обработки менее 5 мин смыкания глобул не происходит. В результате акустические характеристики и гидрофобные свойства древесины не претерпевают изменения.

Оказалось, что после нанесения углеродистого покрытия масса образцов практически не менялась (по-видимому, прирост массы за счет углеродистых глобул компенсируется удалением при обработке в вакууме летучих компонентов древесины). В то же время акустические характеристики образцов древесины размером 220х25х3 мм, влажностью 82%, плотностью 44020 кг/м³ заметно улучшались (см. табл. 2).

Как видно из табл. 2, плазмохимическая обработка увеличивает резонансную частоту на 0,6% и снижает декремент затухания ,Нп на 40%.

Плазмохимическая обработка в плазме тлеющего разряда углеводородов приводит к повышению гидрофобности древесины и уменьшению ее набухаемости во влажной атмосфере. Изучение краевого угла смачивания проводилось на еловых образцах без покрытия и с различными способами обработки поверхности (с грунтовым покрытием на основе традиционных лакокрасочных материалов (ЛКМ) и с углеродистым композиционным слоем, полученного в плазме тлеющего разряда на ацетилене). Установлено, что обработка древесины в плазме или нанесение обычного грунтующего материала увеличивает краевой угол смачивания тестовыми жидкостями. Так, после обработки древесины в плазме краевой угол увеличивался у глицерина (100%) - на 10...16^o; этиленгликоля - глицерина (80%-20%) - на 6. ..9^o; диэтиленгликоля (100%) - на 8...10^o. У дистиллированной воды краевой угол изменился с 4 до 70^o. Однако при нанесении ЛКМ типа МЧ-52 (при вязкости == 30 с по ВЗ-4) краевой угол возрос только на 5...7^o, а при нанесении лака НЦ-218 ( ==30 с) от -4 до 6^o. Поэтому нанесение лакокрасочного материала на подложку, образованную углеродистым композиционным покрытием, возможно без дополнительных мероприятий по подготовке поверхности.

Результаты испытаний образцов еловой древесины на набухаемость и влагостойкость представлены в табл. 3.

Результаты, представленные в табл. 3, показывают, что обработка в плазме тлеющего разряда ацетилена в течение от 5 до 40 мин уменьшает изменение веса на 4% по сравнению с необработанной древесиной.

Были исследованы акустические характеристики образцов древесины с обработанных традиционными ЛКМ и с углеродистым плазмохимическим покрытием. Установлено, что акустические константы (f, Ка и Кр) у образцов как с грунтовым покрытием (ЛКМ или плазмохимическим углеродистым), так и без покрытия с увеличением влажности уменьшается (фиг. 1). Логарифмический декремент колебаний (()) имеет тенденцию увеличиваться с ростом влажности (фиг. 2). Это связано с увеличивающимися потерями на внутреннее трение в материале. Причем это увеличение происходит скачкообразно: для образцов, покрытых обычным ЛКМ на основе НЦ и МЧ лаков, логарифмический декремент колебаний мало изменяется в пределах измерений, однако по сравнению с чистой древесиной он увеличивается. Для образцов, обработанных плазмой тлеющего разряда на ацетилене, этот показатель остается постоянным до влажности в 8...10%, после чего возрастает до 20%.

Акустические свойства образцов, загрунтованных обычными ЛКМ, ухудшаются при нанесении каждого слоя. При этом изменение резонансной частоты может быть до 3%, логарифмический декремент колебаний увеличивается на 15...20%. У древесины с покрытием, полученным по режиму 1 табл. 1, произошло увеличение всех акустических показателей: резонансной частоты на 0,5%, константы излучения Андреева (Ка) на 0,6%, константы Римского-Корсакова (Кр) на 11%, потери звуковой энергии на внутреннее трение уменьшились на 8%. Такое улучшение акустических характеристик происходит за счет резкого увеличения модуля упругости поверхностного композитного слоя с углеродистым полимером.

Предлагаемый способ улучшения акустических характеристик и атмосферостойкости древесных изделий опробован на лабораторной установке и лабораторных образцах.

Пример. Дощечка из древесины ели размером 220х25х3 мм и влажностью 82% тщательно шлифовалась и очищалась затем от пыли. Дощечку помещали в камеру плазмохимической установки. Для приведения установки в рабочее состояние ее вакуумируют до достижения давления 310^-2 Па.

Следующим этапом процесса является обработка детали в плазме тлеющего разряда. Для этого поднимают давление реакционного газа в камере для обеспечения устойчивого, яркого разряда при следующих параметрах: Ip=3-5 А; плотность тока 1,77 mA/см², Up=1500 В, давлении ацетилена 14 Па. Время обработки 20 минут. Поверхность древесины приобретала коричневый цвет, акустические характеристики дощечки приведены в табл. 2 образец 1.

Таким образом, поставленная цель данного изобретения достигнута: благодаря плазмохимической обработке в тлеющем разряде в атмосфере углеводородов получено грунтующее углеродистое композиционное покрытие на поверхности еловой и кленовой древесины, которое при повышении атмосферостойкости одновременно повышает и акустические характеристики изделий из древесины. Использование такого типа покрытий позволяет улучшить качество звучания струнных музыкальных инструментов и расширить сырьевую базу, так как плазмохимическая обработка позволяет снизить требования к структуре деревянной заготовки деки.