способ окрашивания древесины

Формула изобретения

Способ окрашивания древесины в цветовую гамму из серого, зеленого, желтого и коричневого цветов, включающий пропитку сырой древесины не менее 30%-ным водным раствором мочевины, воздушную выдержку, двухступенчатую сушку до остаточной влажности древесины не более 30% и последующую термообработку при плавно возрастающей температуре до окончательной влажности древесины не более 4-6%, отличающийся тем, что пропитку ведут до поглощения не менее 10% мочевины к весу абсолютно сухой древесины и продолжительность воздушной выдержки не превышает 12-20 ч, при этом для цветосочетания светлых тонов древесины температура пропиточного раствора 20-40^oС и температура заключительного этапа ее термообработки не превышает 90-100^oС с выдержкой при этой температуре до 1 ч, а темных тонов древесины - температура пропиточного раствора 40-80^oС и температура заключительного этапа ее термообработки не превышает 100-140^oС с выдержкой при этой температуре до 4 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к способам получения окрашенной модифицированной древесины из различных пород деревьев. Способ может быть использован для облагораживания древесины, особенно неценных пород, в частности березы, в современном производстве из них механически прочных художественных изделий, элементов мебели, отделки интерьеров жилых и служебных помещений, например культовых.

Известен способ окрашивания древесины путем ее пропитки водным раствором химических веществ, в который добавляют поверхностно-активные вещества в количестве 0,1-0,5%, причем окрашивание ведут в течение 20-60 мин при 60-90^oС (а. с. СССР 319 471, В 27 К 5/02, опубл. 02.09.71 г. в Бюлл. 33). Этим способом обрабатывают шпон, и вряд ли он будет эффективен для глубокого и равномерного окрашивания пиломатериалов большой толщины, к тому же его использование не меняет физико-механические свойства древесины.

Известен способ обработки древесины, преимущественно бамбука, включающий прогрев древесины в воде при 90-100^oС, затем пропитку 30-50% водным раствором мочевины при комнатной температуре с последующими сушкой и термической обработкой при 160-170^oС в течение 1,5-2 часов (а.с. СССР 709 358, В 27 К 3/36, 5/04, опубл. 15.01.80 г. в Бюлл. 2). Этот способ позволяет уменьшить разрушающие напряжения в обрабатываемом материале, что почти исключает образование в нем трещин. Но с помощью этого способа можно получить только светлую древесину, а используемый при этом метод горяче-холодных ванн мало пригоден для пиломатериалов значительных размеров.

Известен способ обработки древесины дуба, по которому заготовки влажностью 50-70% обрабатывают в течение 10-30 суток в зависимости от сечения 10-35%-ным водным раствором аммиака под давлением 1,5 атм при температуре 70-90^oС (а. с. СССР 317 510, В 21 К 5/02, опубл. 19.10.71 г. в Бюлл. 31). Этим способом можно облагораживать дубовые заготовки значительной толщины, однако он достаточно длителен, а значит, энергоемок. Мало того, в данном способе используется дорогое специальное оборудование - автоклав, но в то же время способ не предусматривает получения тона обрабатываемого материала в широком цветовом диапазоне, а поэтому не позволяет придавать желаемую тональность (под "орех") недефицитным древесным породам, например березе.

Известен способ тонирования древесных материалов, заключающийся в пропитке заготовки 10-30%-ным водным раствором продукта конденсации ортофосфорной кислоты и мочевины, последующей сушке до влажности 12-14% и дальнейшей термообработке при 60-170^oС в течение 5-120 мин (а.с. СССР 901 077, B 44 D 5/00, В 27 К 5/00, опубл. 30.01.82 г. в Бюлл. 4). Известным способом достигается плавная цветовая гамма по всей толщине тонкомерных материалов и появляется возможность ее регулирования при одновременном придании свойства огнезащищенности и сохранении технологичности последующей обработки древесины. Недостатками этого способа является необходимость, помимо мочевины, использовать дополнительно токсичную ортофосфорную кислоту, что усложняет и удорожает процесс пропитки. Мало того, этот способ преследует цель подгонки цвета шпона к неоднородному тону цвету старой реставрируемой древесины и мало пригоден для древесины более значительного по размеру сортимента.

Известен способ обработки сырой древесины, преимущественно цилиндрического сортимента, включающий пропитку ее при комнатной (204^oС) температуре насыщенным (50-52%) водным раствором мочевины до поглощения не менее 20% мочевины к весу абсолютно сухой древесины. Пропитанную древесину выдерживают на воздухе в условиях закрытого склада в течение 24-72 часов, затем производят двухступенчатую сушку, при начальной температуре не более 50^oС с повышением до 90-100^oС и получением древесины с остаточной влажностью не более 20%. После чего в течение 4-7 часов древесину подвергают термообработке при температуре размягчения лигнина, соответствующей каждой породе, до абсолютно сухого состояния (п. РФ 2 129 955, В 27 К 5/00, 3/34, опубл. 10.05.99 г.), который выбран в качестве прототипа.

Известный способ за счет снижения внутренних напряжений позволяет избежать трещин как во время обработки древесины практически любого поперечного сечения, так и при последующей ее механической обработке и эксплуатации изделий из древесины, но все-таки эффективен скорее для цилиндрического сортимента. Наряду с этим, известный способ обработки древесины меняет ее первоначальный цвет и предусматривает равномерную и сквозную окраску, но в результате одного технологического цикла часто получаются разные цвета, например от золотистого до светло-коричневого. Нужной насыщенности как светлых, так и темных цветов и четкой структуры древесины достичь удается только с помощью дополнительных технологических приемов, что неоправданно удорожает процесс. Особенно эти недостатки очевидны при обработке пиломатериалов и древесины с природными дефектами. То есть, к причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что с его помощью получить одновременно достаточно высокие качественные характеристики древесины наряду с требуемым уровнем декоративности ее поверхности не возможно.

Целью предлагаемого способа является в первую очередь окрашивание древесины в цветовую гамму из серого, зеленого, желтого и коричневого цветов с возможностью получения в конце технологического цикла заданной совокупности светлого или темного цветосочетания из этой гаммы, соответствующей, в свою очередь, тональности ценных древесных пород той же светлоты. При этом - окрашивания сквозного и равномерного, светостойкого во время последующей эксплуатации, с одновременным улучшением физико-механических свойств древесины, таких как долговременная прочность, а также предохраняющего от дальнейшего поражения грибками древесину, зараженную ими в естественных условиях

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что для окрашивания древесины в цветовую гамму из серого, зеленого, желтого и коричневого цветов, проводят пропитку сырой древесины не менее 30%-ным водным раствором мочевины, затем воздушную выдержку, двухступенчатую сушку до остаточной влажности древесины не более 30% и последующую термообработку при плавно возрастающей температуре до окончательной влажности древесины не более 4-6%.

Особенность предлагаемого способа окрашивания древесины заключается в том, что для получения как светлого, так и темного цветосочетания пропитку ведут до поглощения не менее 10% мочевины к весу абсолютно сухой древесины при продолжительности последующей воздушной выдержки не более 12-20 часов. Но для получения светлых тонов древесины температура пропиточного раствора 20-40^oС и температура заключительного этапа ее термообработки не превышает 90-100^oС с выдержкой до 1 часа, а темных тонов древесины - температура пропиточного раствора 40-80^oС и температура заключительного этапа ее термообработки не превышает 100-140^oС с выдержкой до 4 часов.

Деревообработчикам известно, что некоторые грибки вызывают определенное изменение цвета свежераспиленного лесоматериала без заметного нарушения текстуры древесины. Наибольший материальный ущерб приносят грибки, вызывающие нежелательное окрашивание заболони твердых древесных пород, например дуба. Приобретаемая окраска обычно синяя, поэтому явление называют также "синью". Для получения сквозной окраски выбранной тональности древесину любого сортимента и сечения, в том числе с дефектом, например "синь", пропитывают не менее чем 30% водным раствором мочевины методом принудительной, капиллярной или диффузионной пропитки. Пропитку ведут до поглощения не менее 10% мочевины к весу абсолютно сухой древесины, так как в противном случае, из-за недостаточности химического взаимодействия, стенки капилляров древесины остаются малоокрашенными.

Пропитка при температуре от 20^oС до 40^oС не сопровождается началом заметной химической реакции мочевины и лигнина клеток древесины и раствор без изменений проникает внутрь материала, что в совокупности с дальнейшим режимом третьего, заключительного этапа термообработки: температура не более 100^oС с выдержкой до 1 часа позволит получить светлые тона. Если температуры раствора мочевины от 40^oС до 90^oС, пропитка будет сопровождаться началом фазовых превращений в клеточных стенках древесины, определяя появление темного тона в окрасе, глубина и насыщенность которого закрепляется параметрами последнего этапа термообработки: температура не превышает 140^oС с выдержкой до 4 часов, причем чем выше температура термообработки, тем большая насыщенность темными тонами.

В конце пропитки получаем влажность древесины до 110%.

При последующей выдержке пропитанной древесины в условиях закрытого склада добиваются того, что мочевина в большей степени используется всем объемом обрабатываемого материала. Для равномерного распределения мочевины по всему материалу 12-20 часов выдержки для любой породы лесоматериалов достаточно. Причем чем ниже температура пропитывающего раствора, тем продолжительнее атмосферная выдержка лесоматериалов, в независимости от размеров сечения. При выдержке менее 12 часов невозможно выровнять градиент влажности и добиться равномерного распределения мочевины по всему объему заготовки, что в общей сложности, увеличив внутреннюю концентрацию напряжений, приводит не только к появление трещин и значительному короблению во время дальнейшей сушки и термообработки, но и к появлению неравномерного окрашивания древесины. Экспериментально установлено, что выдержка более 20 часов, даже при значительных размерах заготовки и комнатной температуре пропитывающего раствора, удлинит технологический цикл, незначительно улучшив при этом выравнивание градиента влажности и распределение мочевины.

Последующая двухступенчатая низкотемпературная обработка древесины, температурный режим первой ступени которой не превышает 50-55^oС, а второй - не более 70^oС, примерно с равной продолжительность (3-7 суток) каждой из них, позволяет исключить образование трещин и получить в конце сушки влажность материала не более 30%, что соответствует пределу гигроскопичности при комнатной температуре для большинства древесных пород.

Термообработка древесины характеризуется плавным ее разогревом до максимальной температуры и последующей выдержкой при этой температуре, причем продолжительность разогрева находится в прямой зависимости от размера заготовки. После разогрева обрабатываемого материала до температуры термообработки: до 100^oС - для получения светлых тонов и до 140^oС - для темных тонов, каждая из которых соответственно обеспечивает последующую эксплуатационную стабильность цветовых тонов древесины, следует выдержка при этой температуре. Благодаря химическому взаимодействию мочевины с неоднородной по химическому составу древесиной в пределах одного годового слоя продолжительность этой выдержки позволяет получить не только заданную насыщенность цвета, но и максимально обогащенный и углубленный рисунок текстуры древесины. Насыщенность цвета - это степень отличия цвета от ахроматического (белый, серый, черный) той же светлоты. Заявителем экспериментально установлено, что продолжительности выдержки до 1 часа вполне достаточно для получения насыщенных светлых тонов, а для темных ее продолжительность ограничена 4 часами, но свыше 4 часов цветовые эффекты в пределах одного годового слоя древесины снижаются.

Таким образом, заявленный способ окрашивания древесины позволяет предоставить заказчику возможность выбора цвета из альбома образцов древесины. Преследуя такую цель, автор сейчас начал работу над созданием альбома собственных образцов, приняв за основу книгу на английском языке "WHAT WOOD IS THAT? A Manual of Wood Identification", издание "VIKING", 1969 г., 160 с. , которая начинается размещением на пяти страницах цветных образцов разных древесных пород.

Благодаря невысоким температурам пропитки, сушки и термообработки заявляемый способ экономичен и не требует использования дорогостоящего оборудования.

Сравнение заявленного способа с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежных рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна, следовательно, способ соответствует условию патентоспособности "новизна".

Данный способ осуществим и может найти применение в деревообрабатывающей промышленности, т.е. он является промышленно применимым.

По изученным источникам выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками исследуемой технологии окрашивания древесины, но не подтверждена известность их влияния на указанный заявителем технический результат и потребительские свойства изделий, окрашенных заявленным способом.

Примеры конкретного выполнения способа.

Пример 1.

Заготовки из доски березовой, размером 700х80х50 мм, начальной влажностью 80% пропитываются методом принудительной, капиллярной или диффузионной пропитки водным раствором мочевины концентрацией 30% при температуре раствора 30^oС до содержания мочевины 10% от веса абсолютно сухой древесины в течение 4 дней. Затем заготовки выдерживают 15 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 48^oС в течение 3 суток, на втором этапе температура 70^oС в течение 4 суток. Затем проводят термообработку: разогревают материал до 90^oС в течение 4 часов и выдерживают в течение 1 часа. Плотность древесины возрастает на 12%, текстура выражена, цвет - светлый, желтовато-серый с зеленью.

Пример 2.

Заготовки из доски березовой размером 250х50х50 мм, начальной влажностью 64% пропитываются методом принудительной, капиллярной или диффузионной пропитки водным раствором мочевины концентрацией 31%. При температуре раствора 80^oС заготовки выдерживают в течение 3 дней до содержания мочевины 10% от веса абсолютно сухой древесины. Затем заготовки выдерживают 18 часов на воздухе в нормальных условиях закрытого склада. После чего производят в сушильной камере аэродинамическую сушку в два этапа. На первом этапе температура сушки 50^oС в течение 3 суток, на втором этапе температура 70^oС в течение 3 суток. Затем проводят термообработку: плавно разогревают материал до 110^oС в течение 4,5 часов и выдерживают в течение 2 часов. Плотность древесины возрастает на 18%. Ярко выражена текстура, цвет - темно-желто-коричневый с серым. Влажность 4%.

Пример 3.

Заготовки из доски дубовой с дефектом "синь", размером 250х50х25 мм, начальной влажностью 54% пропитываются методом принудительной, капиллярной или диффузионной пропитки водным раствором мочевины концентрацией 35%. При температуре раствора 80^oС заготовки выдерживают в течение 5 дней до содержания мочевины 12% от веса абсолютно сухой древесины. Затем заготовки выдерживают 18 часов на воздухе, в нормальных условиях закрытого склада. После чего производят в сушильной камере аэродинамическую сушку в два этапа. На первом этапе температура сушки 50^oС в течение 5 суток, на втором этапе температура 70^oС в течение 5 суток. Затем проводят термообработку: плавно разогревают материал до 140^oС в течение 4 часов и выдерживают в течение 4 часов. Плотность древесины возрастает на 24%. Ярко выражена текстура, цвет - темно-коричневый. Влажность 4%.