способ уплотнения древесины

Формула изобретения

1. Способ уплотнения древесины путем ее равномерного одноосного прессования, включающий пропаривание заготовки древесины, прессование размещенной в пресс-форме пропаренной заготовки, ее сушку и последующее охлаждение, отличающийся тем, что пропариванию подвергают заготовку древесины с начальной влажностью не менее 20%, при этом пропаривание осуществляют путем нагрева заготовки в электрическом поле высокой частоты до достижения ею температуры 100^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку заготовки древесины осуществляют путем ее нагрева в электрическом поле высокой частоты до температуры от 120 до 130^oС с выдержкой при этой температуре до достижения необходимой конечной влажности древесины.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что операции пропаривания, прессования и сушки осуществляют при непрерывном воздействии на заготовку древесины электрического поля высотой частоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, а именно к способам уплотнения древесных заготовок из цельной древесины путем прессования.

Известен способ уплотнения древесины [а.с. СССР 1726244, В 27 М 1/04, B 27 N 3/08, публ. 1992 г.], по которому помещенная в пресс-форму древесная заготовка самопрессуется за счет циклического чередования процессов увлажнения древесной заготовки при погружении пресс-формы с заготовкой в воду и последующей сушки заготовки без извлечения ее из пресс-формы в сушильной камере.

Данный способ не позволяет достичь высокой степени уплотнения древесины и является длительным.

Известен способ уплотнения древесины путем холодного одноосного прессования [а. с. СССР 456734, В 27 М 1/02, публ. 1975 г.], согласно которому натуральную древесину в виде досок подсушивают до влажности (14-19)% и в холодном состоянии прессуют в пресс-формах. Затем прессованные заготовки высушивают до влажности (6-8)% в сушильном шкафу и охлаждают до температуры (20-30)^oС.

Указанный способ обеспечивает получение прессованной древесины, свойства которой близки к свойствам натуральной древесины, в частности, сохраняется присущая натуральной древесине пористая структура, позволяющая осуществлять дальнейшую обработку прессованной древесины смазочными веществами. Однако данный способ не предназначен для получения древесины с высокой степенью уплотнения.

Известен способ уплотнения древесины [П.Н.Хухрянский. Прессование древесины. М.: 1964 г., с.40-41], выбранный авторами за прототип.

Согласно данному способу заготовки из древесины любой влажности пропаривают в автоклаве при давлении пара не выше 1 атм с нагревом внутренней части заготовки до (85-90)^oС. Затем пропаренные заготовки прессуют и сушат до влажности (6-8)% в печи при температуре (110-130)^oС либо в сушильной камере. Высушенные уплотненные древесные заготовки охлаждают до температуры (30-40)^oС. Прессование, сушку и охлаждение древесных заготовок осуществляют в пресс-формах.

В данном способе достигается высокая степень уплотнения древесины за счет повышения податливости пропаренной древесины при сжатии. Пропаривание древесины осуществляют путем выдержки ее в среде подводимого извне водяного пара. После пропаривания на операцию прессования древесина поступает в нагретом состоянии при влажности, близкой к точке насыщения волокон (20-30)%. Древесина в таком состоянии характеризуется повышенной эластичностью, что позволяет достигнуть значительной степени ее уплотнения при прессовании.

Однако в данном способе вследствие нагрева заготовки внешним теплоносителем (водяным паром) и низкой теплопроводности древесины в заготовке возникают значительные температурные перепады, при этом температура и давление паров у поверхности заготовки выше, чем внутри. Таким образом, прессованию подвергается заготовка с неравномерным распределением влажности и температуры по ее сечению, а следовательно, с неодинаковыми пластическими характеристиками. Это обуславливает необходимость приложения значительного давления прессования для уплотнения заготовки и приводит к неравномерности физико-механических свойств уплотненной древесины.

Кроме того, рассматриваемый способ является длительным, поскольку при его реализации неизбежным является перемещение древесной заготовки с одной технологической установки на другую, а именно перемещение заготовки после операции пропаривания из автоклава в пресс, затем в сушильную печь и далее на операцию охлаждения.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа, обеспечивающего высокую степень уплотнения древесины и равномерность физико-механических свойств уплотненной заготовки по ее объему.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе уплотнения древесины путем ее равномерного одноосного прессования, включающем пропаривание заготовки древесины, прессование размещенной в пресс-форме пропаренной заготовки, ее сушку и последующее охлаждение, согласно изобретению пропариванию подвергают заготовку древесины с начальной влажностью не менее 20%, пропаривание осуществляют путем нагрева заготовки древесины в электрическом поле высокой частоты до достижения ею температуры 100^oС.

Целесообразным является осуществлять сушку заготовки древесины путем ее нагрева в электрическом поле высокой частоты до температуры (120-130)^oС с выдержкой при этой температуре до достижения необходимой конечной влажности древесины.

Целесообразным также является осуществлять операции пропаривания, прессования и сушки при непрерывном воздействии на заготовку древесины электрического поля высокой частоты.

Принципиальным в заявляемом способе является то, что пропаривание древесной заготовки осуществляют путем ее нагрева в электрическом поле высокой частоты (далее - ВЧ).

Благодаря воздействию электрического поля ВЧ происходит выделение тепловой энергии непосредственно в самом древесном материале одновременно и равномерно по всему объему заготовки, при этом требуемая для пропаривания паровая среда создается за счет испарения влаги, содержащейся в объеме заготовки. Парообразование происходит в каждом элементарном объеме древесного материала по всему сечению заготовки.

Параметры процесса пропаривания, а именно температура нагрева древесины до 100^oС и влажность не менее 20%, которую должна иметь древесина перед пропариванием, были определены авторами в ходе экспериментальных исследований. Как показали эксперименты, при ВЧ нагреве древесной заготовки с начальной влажностью не менее 20% до температуры 100^oС достигается такое гидротермическое состояние пропаренной древесины, которое обуславливает ее высокую пластичность, что позволяет в процессе последующего прессования заготовки получить высокую степень уплотнения при относительно невысоком давлении прессования и при этом обеспечивает равномерность физико-механических свойств уплотненной древесины. Так, в частности, проведенные авторами эксперименты показали, что при реализации предлагаемого способа удается достичь неожиданно высокой степени уплотнения древесины (в 3,25 раза) при относительно низком значении давления прессования (около 10,0 МПа).

Кроме того, преимуществом предлагаемого способа является сокращение длительности технологического процесса за счет значительного уменьшения времени, в течение которого осуществляется пропаривание. Длительность стадии пропаривания определяется временем процесса ВЧ нагрева древесины до 100^oС, который протекает с высокой скоростью, зависящей от параметров электрического поля ВЧ.

Сушку уплотненной заготовки древесины до необходимого значения влажности можно осуществлять по любому известному способу, однако целесообразным является проводить сушку уплотненной заготовки в электрическом поле ВЧ, так как при этом значительно сокращается время сушки и обеспечивается равномерность физико-механических свойств готового изделия. Сушку уплотненной заготовки осуществляют при температуре (120-130)^oС. Параметры сушки выбраны экспериментально. При температуре ниже 120^oС увеличивается время сушки, что приводит к увеличению длительности технологического процесса уплотнения древесины. При температуре более 130^oС в древесине появляются микротрещины и ухудшаются ее физико-механические характеристики.

Для сокращения длительности всего технологического процесса уплотнения древесины и для его более рациональной организации целесообразно осуществлять операции пропаривания, прессования и сушки при непрерывном воздействии электрического поля ВЧ. При этом не тратится время на перемещение заготовки с одной технологической установки на другую, ускоряется процесс сушки заготовки, так как она не остывает при прессовании.

Способ осуществляют следующим образом.

Проводят процесс пропаривания заготовки древесины, для чего заготовку с влажностью не менее 20% нагревают в электрическом поле ВЧ. Нагрев ведут под контролем температуры древесины до достижения 100^oС.

По завершении операции пропаривания осуществляют равномерное одноосное прессование размещенной в пресс-форме заготовки до требуемой степени уплотнения.

Затем осуществляют сушку уплотненной заготовки до достижения необходимой конечной влажности древесины.

Целесообразно проводить сушку путем нагрева заготовки в электрическом поле ВЧ до температуры (120-130)^oС с выдержкой при этой температуре до достижения необходимой конечной влажности древесины.

Высушенную уплотненную заготовку охлаждают и извлекают из пресс-формы.

Целесообразным является осуществлять способ на установке, обеспечивающей возможность проведения как процесса нагрева в поле ВЧ, так и процесса прессования.

Примеры реализации способа

Пример 1

Осуществляли уплотнение заготовки осины, имеющей форму бруска.

Начальные размеры заготовки: длина - 300 мм, ширина сечения - 30 мм, высота сечения - 38,4 мм. Начальная влажность древесины составляла 25,1%, плотность - 0,4910³ кг/м³.

Заготовку в горизонтальном положении помещали в пресс-форму, изготовленную из стеклопластика. Пресс-форму с размещенной в ней заготовкой устанавливали на нижнюю плиту пресса. Верхняя плита пресса была изолирована от траверсы пресса и подключена к выходу ВЧ генератора, являясь таким образом верхним электродом рабочего конденсатора ВЧ генератора. Нижним электродом рабочего конденсатора являлась нижняя плита пресса.

Затем проводили пропаривание заготовки. Для этого включали ВЧ генератор. Рабочая частота генератора и напряжение между электродами рабочего конденсатора составляли соответственно 13,56 МГц и 2,4 кВ. Под действием электрического поля ВЧ заготовка нагревалась. Процесс вели в течение 10 мин до достижения температуры древесины 100^oС, при которой наблюдалось интенсивное выделение паров.

По завершении пропаривания осуществляли прессование заготовки при давлении прессования 2,0 МПа.

Затем, не снимая давления, производили сушку заготовки путем ее дальнейшего ВЧ нагрева до температуры 124^oС (время нагрева составило 11 мин) и выдержки при температуре (120-130)^oС в течение 40 мин.

По окончании сушки выключали ВЧ генератор и, не снимая давления, производили охлаждение заготовки до температуры 36^oС. Время охлаждения составило 1 ч 10 мин.

Общее время процесса составило 2 ч 12 мин.

Полученная в результате процесса заготовка имела следующие показатели:

высота сечения заготовки - 24,2 мм;

степень уплотнения древесины - 1,59 (определяется как отношение начальной высоты сечения заготовки к высоте сечения уплотненной заготовки);

плотность древесины - 0,6110³ кг/м³,

влажность древесины - 7,9%;

предел прочности при сжатии вдоль волокон - 59,6 МПа;

предел прочности при скалывании вдоль волокон - 9,13 МПа;

изменение плотности по сечению образца по всей его длине не превысило 5%.

Пример 2.

Осуществляли уплотнение заготовки осины, имеющей форму бруска. Начальные размеры заготовки: длина - 300 мм, ширина сечения - 30 мм, высота сечения - 38,3 мм. Начальная влажность древесины составляла 25,1%, плотность - 0,4610³ кг/м³.

Процесс уплотнения древесины проводили, как описано в примере 1, при следующих параметрах процесса:

время нагрева до 100^oС - 11 мин;

давление прессования - 10,0 МПа;

температура сушки - 129^oС;

время нагрева до температуры сушки - 13 мин;

время выдержки при температуре (120-130)^oС - 40 мин.

Заготовку охлаждали до температуры 33^oС в течение 1 ч 15 мин.

Общее время процесса составило 2 ч 20 мин.

Полученная в результате процесса заготовка имела следующие параметры:

высота сечения заготовки - 11,8 мм;

степень уплотнения древесины - 3,25;

плотность древесины - 1,2210³ кг/м³;

влажность древесины - 6,1%;

предел прочности при сжатии вдоль волокон - 102,0 МПа;

предел прочности при скалывании вдоль волокон - 17,6 МПа;

изменение плотности по сечению образца по всей его длине не превысило 2%.

Таким образом, заявляемый способ уплотнения древесины позволяет достигнуть высокой степени уплотнения древесины при относительно низких значениях давления прессования, обеспечивает равномерность физико-механических свойств материала древесины во всем объеме уплотненной заготовки, а также позволяет рационально организовать технологический процесс и значительно сократить его длительность.