способ обработки древесины

Формула изобретения

Способ обработки древесины, включающий пропитку сырой древесины не менее 30%-ным водным раствором мочевины, воздушную выдержку, двухступенчатую сушку и последующую термообработку при плавно возрастающей температуре, отличающийся тем, что пропитку ведут до поглощения не менее 10% мочевины к весу абсолютно сухой древесины, сушку проводят до остаточной влажности древесины не более 30% с температурой первой ступени сушки не более 55^oС и температурой второй ступени сушки не более 70^oС, перед термообработкой древесину охлаждают в течение не более 3 ч и последующую термообработку осуществляют последовательно в 3 этапа: температура первого этапа не превышает 80^oC с выдержкой до 2 ч, второго - 100^oC с выдержкой до 4 ч, а третьего - 120-130^oC с выдержкой до окончательной влажности заготовок не более 4-6%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к деревообработке, а именно к обработке сырых заготовок из пиленого лесоматериала разнообразных древесных пород, причем в независимости от его местоположения по отношению к продольной оси бревна, например сердцевинная, центральная или боковая доска.

Известен способ сушки заготовок из древесины лиственных пород, в котором заготовки перед загрузкой их в сушильную камеру предварительно пропитывают насыщенным раствором мочевины в течение 30-40 минут при температуре +100^oС. Лучшая в результате пропитки пластичность древесины приводит к ее самоуплотнению при сушке, повышающему качество высушенных заготовок (А.С. СССР 278090, кл. B 27 К 5/00, 1970). Однако скоротечность пропитки не обеспечит ее равномерности для пиломатериалов значительного поперечного сечения, особенно при наличии природных дефектов сырья, а удлинение срока пропитки при температуре +100^oС скорее всего приведет к значительным энергетическим затратам и высокому расходу мочевины.

Известен способ упрочнения древесины путем обработки ее аммиаком при давлении выше атмосферного (1,5 атм) и температуре 20^oС. После обработки аммиаком в автоклаве древесину помещают в сушилку и сначала пропаривают при 120^oС, а затем подвергают термообработке вместе с сушкой при температуре не выше 140^oС в течение до 320 часов. Продолжительность этой обработки до полного высыхания зависит от размеров заготовок (а.с. СССР 299364, В 27 М 3/00, 1971). Известный способ, как и заявляемый, направлен на снижение дефицита древесины твердых лиственных пород и решает вопрос ее замены облагороженной древесиной мягких лиственных пород. Но технология известного способа предусматривает использование дорогостоящего оборудования, значительный расход энергоресурсов, поэтому он не отвечает задачам сегодняшнего времени, особенно при крупносерийной, а не массовой обработке древесины.

Наиболее близким к заявленному изобретению способом того же назначения по совокупности признаков является способ обработки сырой древесины (патент РФ 2129955, кл. В 27 К 5/04, 1998), включающий: пропитку насыщенным водным раствором мочевины при комнатной температуре до поглощения не менее 20% мочевины к весу абсолютно сухой древесины, выдержку на воздухе в течение не менее 24-72 часов, сушку до остаточной влажности древесины не более 20% и последующую ступенчатую термообработку в течение 4-7 часов при максимальной температуре, равной температуре размягчения лигнина каждой древесной породы, который принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится следующее. Капиллярно-поровая структура водопроводящих путей пиломатериалов более вскрыта, чем у целого бревна, что естественным образом увеличит проникающую способность пропиточного состава. Поэтому пропитка пиломатериалов любого сечения насыщенным раствором мочевины вряд ли целесообразна с точки зрения получения необходимой пластичности, но приведет к дополнительным расходам мочевины, также как и 20%-ное насыщение ею материала после пропитки. Последующие характеристики известного процесса: продолжительная воздушная выдержка и сушка до 20%-ной влажности с последующей непродолжительной термообработкой не позволяют обеспечить исключение пластевого коробления досок в независимости от их первоначального положения в бревне. Это приводит к необходимости серьезной выбраковки закупаемого сырья в виде пиломатериалов, а обработанный известным способом цилиндрический сортимент далеко не всегда применим для производства некоторых изделий из обработанной древесины. В известном способе высокая температура термообработки: от 140^oС до 170^oС приводит к значительным изменениям микроструктуры древесины, а значит меньшей длительной прочности материала, помимо того, что увеличивается энергоемкость процесса.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующих задач:

- получить качественную обработку сырой древесины в виде пиломатериалов произвольного сечения различных древесных пород, гарантирующую долговечность декоративных свойств изделий из этой древесины в условиях эксплуатации.

- уменьшить себестоимость всего процесса обработки за счет снижения выбраковки при закупке сырья, сокращения длительности процесса обработки и снижения энергозатрат на его организацию.

Решить поставленные задачи предлагаемый способ обработки древесины позволяет благодаря достигнутому техническому результату по предотвращению растрескивания и пластевого коробления древесины с неоднородной структурой и природными дефектами сырья (косослой, крень), за счет снятия возникающих при обработке внутренних напряжений с одновременным повышением влагостойкости и механической прочности; а использование предложенного технологического процесса с экономически целесообразным тепловым балансом для обработки особенно плоских лесоматериалов, для реализации которого не требуется специального дорогостоящего оборудования, позволяет значительно уменьшить себестоимость обработки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается благодаря тому, что способ обработки сырой древесины в виде пиломатериалов, особенно с природными особенностями и дефектами, включает пропитку не менее 30%-ным водным раствором мочевины, нагретым не более чем до 90^oС, воздушную выдержку материала в нормальных условиях закрытого помещения (204^oC, f_в=655% - степень насыщения среды водой), двухступенчатую сушку и последующую термообработку при плавно возрастающей температуре. Отличительными признаками заявляемого способа являются последовательность технологических операций и сочетание условий проведения каждой из них: пропитки - до поглощения не менее 10% мочевины к весу абсолютно сухой древесины с окончанием сушки после достижения остаточной влажности древесины не более 30% с температурой первой ступени сушки - не более 55^oС и температурой второй ступени сушки - не более 70^oС, причем перед термообработкой материал необходимо охладить в течение не более 3 часов, а термообработку затем осуществить последовательно в 3 этапа: температура первого этапа не превышает 80^oC с выдержкой до 2 часов, второго - 100^oС с выдержкой до 4 часов, а третьего - 120-130^oС до окончательной влажности заготовок не более 4-6%.

Пропитку сырой древесины производят водным раствором мочевины любым известным методом (принудительная, капиллярная, диффузионная пропитка или методом горяче-холодных ванн), исходя из возможностей и экономической целесообразности. Пропитывают раствором, температура которого не более 90^oС, при концентрации мочевины не менее 30%, до поглощения не менее 10% мочевины к весу абсолютно сухой древесины, причем температура и давление в течение всей пропитки остаются постоянными. В конце пропитки получаем влажность древесины до 110%.

Благодаря выбранному сочетанию начального состояния материала (больше предела насыщения) и условий проведения его пропитки, скорости диффузионного переноса в течение всей продолжительности пропитки пропорциональны только градиенту концентрации и направлены под влиянием разности концентраций в сторону меньшей концентрации. В связи с этим проникающая способность пропиточного состава повышается, создавая более глубокое и равномерное распределение молекул мочевины одновременно с молекулами воды не только в длинных продольных капиллярах, выходящих на торцы досок, но и в мелких, выходящих на пласти. Причем при концентрации раствора карбамида менее 30% в спелой древесине сердцевинных и центральных досок (с меньшим количеством заболонной древесины и пониженной водопроницаемостью) необходимой равномерности распределения реагента по всему материалу достичь не удается.

При введении в пиломатериалы любой древесной породы менее 10% мочевины начальную температуру сушки приходится снижать, чтобы предотвратить коробление из-за недостаточности мочевины для образования стабилизирующего каркаса, что необоснованно удлиняет весь технологический процесс, мало того, в цвете древесины начинают непременно присутствовать серые, не всегда нужные, тона.

При последующей выдержке пропитанной древесины в условиях закрытого склада добиваемся того, что мочевина в большей степени используется всем обрабатываемым материалом. Благодаря этому (даже при наличии косослоя и крени в исходном сырье) получаем большую структурную однородность, выравнивание градиента влажности и концентрации мочевины по всему объему заготовки, что в общей сложности уменьшает внутреннюю концентрацию напряжений, следовательно, меньшую вероятность появления трещин во время дальнейшей сушки и термообработки. Минимальное время выдержки - 2-3 часа необходимо для менее твердых (береза, осина, липа) древесных пород сравнительно небольшого объема (бруски и доски толщиной не более 50 мм и шириной не более двойной толщины), к тому же включающие небольшие участки с незначительными пороками древесины (например, сучки всех разновидностей), обладающие иным по сравнению с основным массивом коэффициентом усушки. Большее время выдержки регламентируется объемом пиломатериалов (толщиной до 100 мм и шириной, например, досок более двойной толщины) и плотностью древесных пород (дуб, бук, клен), так как, чем выше плотность, тем больше значение модуля упругости и больше внутренние напряжения.

Известная неравномерность выхода влаги на торцы и по площадям пластей боковых досок обуславливает создание локальных напряжений, которые, будучи минимальными по сравнению с возникающими напряжениями в сердцевинных и центральных досках, однако являются причиной образования трещин в пластях. При сушке же сердцевинных и центральных досок в их пластях в результате неравномерной напряженности возникают дифференциальные усилия, приложенные к центральным линиям пластей, что в подавляющем большинстве приводит к трещинам и разрыву досок по центральным линиям пластей. А наличие косослоя (винтообразное расположение волокон относительно продольной оси ствола) вызывает коробление (скручивание) досок, или креня (смещение сердцевины в одну сторону) нарушает однородность строения древесины, понижает прочность и способствует сильному продольному короблению досок и брусьев. Помимо того, в процессе роста дерева в результате разрывов древесины вдоль волокон иногда возникают трещины природные: метиковая - внутри ствола по радиусу или диаметру, отлупная - внутренняя трещина между соседними годовыми кольцами.

Учитывая эти особенности пиломатериалов, усугубляющие развитие внутренних напряжений при сушке, после выдержки при температуре 204^oС, во избежание неравномерного разогрева заготовки, а также компенсации возможного градиента влажности и концентрации мочевины внутри заготовки, выбираем для первой ступени последующей аэродинамической сушки невысокую температуру 50-55^oС воздушного теплоносителя, причем, естественно, чем длиннее предшествующая воздушная выдержка, тем выше начальная температура.

Благодаря этому разница во влажности торца и пласти в течение всех 3-7 дней первой ступени сушки материала невелика, а значит, опасность возникновения торцевых трещин под действием растягивающих полных напряжений незначительна.

На втором этапе температуру теплоносителя повышают до 70^oС, внутри заготовки температура сначала начинает расти интенсивно, затем ее рост замедляется, поскольку испарению влаги препятствуют два гидрофильных агента: древесина и мочевина. В результате термодиффузии, но отсутствии фазовых превращений в древесине, испарение влаги происходит более равномерно по всему объему заготовки, а отсутствие градиента влаги уменьшает опасность образования трещин. По окончании второго этапа сушки получаем влажность заготовки не более 30%, что соответствует пределу гигроскопичности при комнатной температуре для большинства древесных пород.

Далее заготовки охлаждают на воздухе в обычных условиях закрытого склада в течение не более 3 часов. В этом случае в равномерно нагретой древесине и доведенной предыдущими этапами до безградиентного состояния, в толще материала парциальное давление несколько больше, чем в окружающем воздухе, что приведет к интенсивному вытеснению влаги. В то же время, при таком охлаждении древесины в воздухе растрескивания и коробления не происходит, т.к. в толще не возникает аномальных явлений.

Когда материал остынет, переход к заключительной ступени обработки начинают с его разогрева до 80^oС, что увеличит скорость испарения влаги с его поверхности по сравнению со скоростью продвижения влаги из внутренних слоев древесины к ее поверхности на первой ступени сушки, лимитируемой влагопроводностью материала, и влажностью материала не более 30% - в конце второй ступени сушки. За счет применения осциллирующих температурных режимов в смежных операциях добиваемся эффекта ускорения сушки древесины.

Последующая выдержка материала до 2 часов (в зависимости от сечения) при температуре 80^oС позволяет, выровняв содержание мочевины по всему объему пиломатериала, в последующем исключить возникновение во всех типах досок капиллярную конденсацию водяных паров и получить таким образом негигроскопичные пиломатериалы.

Дальнейший плавный разогрев пиломатериалов до 100^oС сопровождается фазовыми превращениями, при которых в клеточных стенках древесины происходит реакция поликонденсации мочевины и лигнина, продукты которой обладают способностью склеивать и гидрофобизировать древесину.

Последующая выдержка материала при указанной температуре до 4 часов приводит к концентрации лигнина и уменьшению химических связей, а новые прочные валентные связи между молекулами лигнина и продуктами распада мочевины приводят к дальнейшему уменьшению гигроскопичности материала.

Заключительный третий этап обработки характеризуется дальнейшим плавным разогревом пиломатериалов до 120-130^oС. Термораспад древесины ингибируется, разложению подвергается только мочевина. За счет удаления связанной влаги, уменьшающей размеры клеточных оболочек, происходит увеличение плотности древесных клеток. Для предотвращения резкого увеличения объема (что может вызвать образование трещин) и введена концентрация мочевины не менее 30%, которая, пропитав клеточные стенки, мешает их разбуханию, т.е. как бы является тем "цементирующим раствором", которым до нее являлся лигнин.

Осуществление процесса по данному способу позволяет уменьшить температурное воздействие на обрабатываемый материал, повысить равномерность сушки, сократив за счет этого непроизводительные расходы тепла на нее. Предложенная ресурсосберегающая технология, причем как тепловой энергии, так и исходного дорогостоящего продукта деревообработки - пиленого лесоматериала (выход продукции ~ 65% от продольной распиловки бревен), позволяет, однако, получить равноуплотненный, формоустойчивый материал не только при его последующей механической обработке, но и при эксплуатационных воздействиях различных температур и влажности окружающей среды.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного способа. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного способа условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень". Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Пример 1.

Заготовки из березовой доски размером 700х80х50 мм, начальной влажностью до 80% пропитывают раствором мочевины концентрацией 31% методом диффузионной пропитки до 10% содержания мочевины от веса абсолютно сухой древесины в течение 4-7 дней. Затем заготовки выдерживают 48 часов на воздухе в нормальных условиях закрытого помещения. После этого заготовки помещают в сушильную камеру, где производится аэродинамическая сушка в два этапа. На первом этапе температура сушки 52^oС в течение 4-6 суток, на втором этапе температура 70^oС, время выдержки 4-6 суток. После сушки - охлаждение заготовок в течение 3 часов. Затем проводят окончательную термообработку: разогревают материал до 80^oС, выдерживают в течение 1,5 часов; поднимают температуру до 100^oС и выдерживают 3,5 часа; поднимают температуру до 124^oС и выдерживают в течение 2 часов. Плотность древесины возрастает на 17%, по своим прочностным характеристикам она приближается к дубу, ярко выражена текстура, цвет - светлого дуба. Влажность 4%.

Пример 2.

Заготовки из доски березовой, размером 25025050 мм, начальной влажностью до 64%, пропитывают раствором мочевины концентрацией 30% методом горяче-холодных ванн до 11% содержания мочевины от веса абсолютно сухой древесины в течение 3-4 дней. Затем заготовки выдерживают 48 часов на воздухе в нормальных условиях закрытого помещения. После этого заготовки помещают в сушильную камеру, где производится аэродинамическая сушка в два этапа. На первом этапе температура сушки 54^oС в течение 3-5 суток, на втором этапе температура 70^oС, время выдержки 3-5 суток. После сушки - охлаждение заготовок в течение 3 часов. Затем проводят окончательную термообработку: разогревают материал до 80^oС, выдерживают в течение 2 часов; поднимают температуру до 100^oС и выдерживают 3 часа; поднимают температуру до 130^oС и выдерживают в течение 2 часов. Плотность древесины возрастает на 23%, по своим прочностным характеристикам она приближается к дубу, ярко выражена текстура, цвет - коричневого дуба. Влажность 4%.

Пример 3.

Заготовки из доски дубовой, размером 25025050 мм, начальной влажностью до 54% пропитывают раствором мочевины концентрацией 35% методом горяче-холодных ванн до 12% содержания мочевины от веса абсолютно сухой древесины в течение 6-7 дней. Затем заготовки выдерживают 52 часа на воздухе в нормальных условиях закрытого помещения, затем помещают в сушильную камеру и производят аэродинамическую сушку в два этапа. На первом этапе температура сушки 50^oС в течение 5-7 суток, на втором этапе температура 70^oС, время выдержки 5-7 суток. После сушки - охлаждение заготовок в течение 3 часов. Затем проводят окончательную термообработку: разогревают материал до 80^oС, выдерживают в течение 2 часов; поднимают температуру до 100^oС и выдерживают 4 часа; поднимают температуру до 130^oС и выдерживают в течение 2 часов. Плотность древесины возрастает на 24%, ярко выражена текстура, цвет - эбенового дерева. Влажность 4%.