способ пропитки заготовок из древесины

Формула изобретения

1. Способ пропитки заготовки из древесины, включающий возбуждение акустических колебаний в пропитывающей жидкости, отличающийся тем, что на поверхности заготовки формируют слой пропитывающей жидкости, а акустические колебания возбуждают с помощью акустического инструмента, устанавливаемого таким образом, что его излучающая поверхность расположена в слое пропитывающей жидкости с зазором относительно поверхности заготовки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при пропитке заготовки из древесины с поверхности, ориентированной поперек древесных волокон, акустический инструмент устанавливают таким образом, что вектор колебательной скорости его излучающей поверхности составляет с нормалью к поверхности заготовки угол 0.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при пропитке заготовки из древесины с поверхности, ориентированной вдоль волокон древесины, акустический инструмент устанавливают таким образом, что вектор колебательной скорости его излучающей поверхности составляет с нормалью к поверхности заготовки угол , величина которого определяется соотношением

где С_пж - скорость распространения продольных акустических волн в пропитывающей жидкости;

С_з - скорость распространения продольных акустических волн в древесине заготовки в направлении вдоль волокон.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что частоту и амплитуду колебательного смещения излучающей поверхности акустического инструмента задают, исходя из условия возникновения акустической кавитации в жидкости, используемой для пропитки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, а именно к способам пропитки древесных заготовок защитными или декоративными составами с использованием акустической энергии.

Технологии пропитки древесины с использованием акустической энергии являются весьма перспективными, поскольку под воздействием акустических колебаний значительно интенсифицируются физико-химические процессы, обуславливающие проникновение пропитывающей жидкости в обрабатываемый древесный материал.

Известен способ пропитки и сушки древесины с использованием акустической энергии [патент RU 2010701, В 27 К 5/04, публ. 1994 г.]. В указанном способе на обрабатываемый материал воздействуют постоянным электрическим током и одновременно возбуждают в материале мощные ультразвуковых колебания. После того как масса обрабатываемого материала снизится на 6-12%, изменяют частотный и амплитудный режим работы ультразвуковых излучателей и нагнетают в материал пропитывающий раствор.

Данный способ является длительным и сложным, поскольку он включает много стадий, при его осуществлении необходимо отслеживать ряд параметров и в зависимости от их значений изменять частоту и амплитуду ультразвуковых колебаний.

Известен способ акустической пропитки пористых материалов, в том числе древесины, описанный в [SU 1677038, С 04 В 41/00, публ. 1991 г.], который выбран авторами в качестве прототипа.

Согласно способу обрабатываемую заготовку помещают в камеру, оборудованную излучателем акустических колебаний и снабженную расположенной напротив излучателя акустически связанной с ним пластиной. Заготовку располагают между излучателем и пластиной и заполняют камеру пропитывающей жидкостью, после чего возбуждают в объеме жидкости акустические колебания.

Рассматриваемый способ требует точной частотной настройки излучателя, наличия системы поддержания постоянной частоты в течение времени пропитки. Кроме того, при реализации способа необходим большой расход пропитывающей жидкости.

Задачей заявляемого изобретения является повышение экономичности способа.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе пропитки заготовки из древесины, включающем возбуждение акустических колебаний в пропитывающей жидкости, согласно изобретению на поверхности заготовки формируют слой пропитывающей жидкости, а акустические колебания возбуждают с помощью акустического инструмента, устанавливаемого таким образом, что его излучающая поверхность расположена в слое пропитывающей жидкости с зазором относительно поверхности заготовки.

Целесообразным является при пропитке заготовки из древесины с поверхности, ориентированной поперек древесных волокон, акустический инструмент устанавливать таким образом, чтобы вектор колебательной скорости его излучающей поверхности составлял с нормалью к поверхности заготовки угол 0^o.

Целесообразным является при пропитке заготовки из древесины с поверхности, ориентированной вдоль волокон древесины, акустический инструмент устанавливать таким образом, чтобы вектор колебательной скорости его излучающей поверхности составлял с нормалью к поверхности заготовки угол , величина которого определяется соотношением где С_пж - скорость распространения продольных акустических волн в пропитывающей жидкости, С₃ - скорость распространения продольных акустических волн в древесине заготовки в направлении вдоль волокон.

Целесообразным является частоту и амплитуду колебательного смещения излучающей поверхности акустического инструмента задавать исходя из условия возникновения акустической кавитации в жидкости, используемой для пропитки.

Принципиальным отличием заявляемого способа от известных способов является то, что в процессе пропитки акустические колебания возбуждают в слое пропитывающей жидкости, сформированном на поверхности заготовки. Максимально возможная толщина слоя определяется условием, при котором силы адгезии и поверхностного натяжения удерживают массу жидкости в слое на поверхности заготовки и для большинства жидкостей составляет величину, не превышающую 5 мм. Таким образом, акустические колебания возбуждаются в относительно тонком слое жидкости. При этом воздействие акустических колебаний на протекание физико-химических процессов в системе жидкость - твердое тело происходит в непосредственной близости от границы раздела жидкой и твердой фаз, что приводит к интенсификации указанных процессов.

Возбуждение акустических колебаний в малом объеме тонкого слоя жидкости приводит к высокой концентрации акустической энергии без дополнительных затрат электроэнергии, требуемой для питания источника акустических колебаний, что приводит к повышению экономичности способа.

Использование малых объемов пропитывающей жидкости ведет к снижению ее расхода, что также повышает экономичность предлагаемого способа.

Кроме того, воздействие акустических колебаний через тонкий слой жидкости обеспечивает эффективную передачу энергии акустических колебаний вглубь материала древесины, что способствует "расшатыванию" поверхностных элементов структуры древесины, обуславливающему более глубокое проникновение пропитывающей жидкости в материал древесной заготовки.

Установка акустического инструмента с образованием зазора между его излучающей поверхностью и поверхностью заготовки необходима для того, чтобы избежать механического контакта указанных поверхностей, который может привести к повреждению поверхностных слоев заготовки (разрушению, обгоранию).

Авторами экспериментально установлено, что при обработке заготовки из древесины с поверхности, ориентированной поперек древесных волокон, наиболее эффективно процесс проникновения пропитывающей жидкости вглубь древесного материала осуществляется, когда вектор колебательной скорости акустических колебаний совпадает с направлением волокон древесины. Это происходит в том случае, когда акустический инструмент установлен таким образом, что вектор колебательной скорости его излучающей поверхности составляет с нормалью к поверхности заготовки угол 0^o.

Авторами также экспериментально установлено, что при обработке заготовки из древесины с поверхности, ориентированной вдоль волокон древесины, наиболее эффективно процесс проникновения пропитывающей жидкости вглубь древесного материала протекает при возникновении продольно-поперечных акустических волн, распространяющихся вдоль поверхности древесины. Это происходит в том случае, когда акустический инструмент установлен таким образом, что вектор колебательной скорости его излучающей поверхности составляет с нормалью к поверхности заготовки угол , величина которого определяется соотношением где С_пж - скорость распространения продольных акустических волн в пропитывающей жидкости, С₃ - скорость распространения продольных акустических волн в древесине заготовки в направлении вдоль волокон.

Авторами экспериментально установлено, что проведение процесса пропитки в режиме кавитации способствует более глубокому и быстрому проникновению пропитывающей жидкости в древесину. При схлопывании кавитационных пузырей вблизи поверхности заготовки происходит эрозия поверхности, в результате которой увеличивается контактная реакционная площадь жидкой и твердой фаз. Кроме того, при схлопывании кавитационных пузырей в еще большей степени интенсифицируются физико-химические процессы, протекающие при пропитке на границе раздела жидкость - твердое тело.

Способ осуществляют следующим образом.

На поверхности заготовки формируют слой пропитывающей жидкости, например путем наливания или путем подачи пропитывающей жидкости с помощью акустического инструмента, снабженного каналом для подвода пропитывающей жидкости.

Устанавливают акустический инструмент таким образом, что его излучающая поверхность располагается в слое пропитывающей жидкости с зазором относительно поверхности заготовки, после чего осуществляют воздействие акустическими колебаниями на покрытую слоем пропитывающей жидкости заготовку, перемещая акустический инструмент над обрабатываемой поверхностью по всей ее площади.

В случае пропитки заготовки из древесины с поверхности, ориентированной поперек волокон, акустический инструмент устанавливают таким образом, чтобы вектор колебательной скорости его излучающей поверхности составлял с нормалью к поверхности заготовки угол 0^o.

В случае пропитки заготовки из древесины с поверхности, ориентированной вдоль волокон, акустический инструмент устанавливают таким образом, чтобы вектор колебательной скорости его излучающей поверхности составлял с нормалью к поверхностью заготовки угол , величина которого определяется соотношением где С_пж - скорость распространения продольных акустических волн в пропитывающей жидкости, С₃ - скорость распространения продольных акустических волн в древесине заготовки в направлении вдоль волокон. Величины С_пж и С₃ для конкретных видов пропитывающей жидкости и породы древесины могут быть взяты из справочной литературы или определены опытным путем.

В случае необходимости для достижения требуемой глубины пропитки цикл наливания пропитывающей жидкости на поверхность заготовки и последующего перемещения акустического инструмента над обрабатываемой поверхностью заготовки повторяют несколько раз. При использовании акустического инструмента с каналом для подвода пропитывающей жидкости ее подают с расходом, который обеспечивает необходимую глубину пропитки.

Пример 1.

Брали заготовку из березы с плотностью 0,46 г/см³, с относительной влажностью 8%, с размерами 150457 мм. Осуществляли пропитку заготовки с поверхности, ориентированной вдоль волокон древесины, площадь которой составляла 15045 мм². На поверхность заготовки наливали жидкий антипирен марки "Тент" слоем толщиной 1 мм. Пропитку осуществляли с использованием акустического инструмента с площадью излучающей поверхности 1 см², возбуждаемого стандартным электроакустическим преобразователем ПМС -15А -18. Устанавливали акустический инструмент таким образом, что его излучающая поверхность была погружена в слой антипирена и располагалась с зазором 0,5 мм относительно поверхности заготовки. При этом наклоняли акустический инструмент так, чтобы вектор колебательной скорости излучающей поверхности инструмента составлял с нормалью к поверхности заготовки угол . Величину угла предварительно рассчитывали по соотношению Величины С_пж и С₃ определяли опытным путем, для указанных заготовки и антипирена они равнялись соответственно 1500 и 5000 м/сек. Величина угла составляла примерно 16^o.

С помощью акустического инструмента возбуждали ультразвуковые колебания в слое пропитывающей жидкости. Частота колебаний акустического инструмента составляла величину 18 кГц, а амплитуда смещения его излучающей поверхности составляла 1 мкм.

Перемещали акустический инструмент над заготовкой по всей площади пропитываемой поверхности. Время пропитки составляло 5 мин.

Затем переворачивали заготовку и аналогичным образом осуществляли пропитку заготовки с противоположной стороны. Время пропитки также составляло 5 мин.

Оценивали результаты пропитки по приращению массы заготовки после пропитки в пересчете на единицу поверхности. Приращение массы составило 4,010^-2 г/см².

Для сравнения такую же заготовку пропитывали тем же составом путем погружения заготовки в пропитывающую жидкость на 40 мин. Приращение массы заготовки после пропитки в пересчете на единицу поверхности в данном случае составило 2,810^-2 г/см², что примерно на 30% меньше, чем по предлагаемому способу.

Пример 2.

Брали заготовку такую же, как в примере 1. Процесс пропитки осуществляли, как в примере 1. При этом задавали ту же частоту колебаний акустического инструмента, что в примере 1, а амплитуду смещения его излучающей поверхности задавали 3 мкм. При указанных параметрах ультразвуковых колебаний излучающей поверхности акустического инструмента в пропитывающей жидкости наблюдалась развитая кавитация, о чем свидетельствовало визуальное и акустическое наблюдение.

Время пропитки заготовки с каждой стороны составляло 1 мин.

Приращение массы заготовки после пропитки в пересчете на единицу поверхности составило 4,610^-2 г/см², что больше примерно на 15%, чем в случае осуществления предлагаемого способа по примеру 1, при значительно меньшем времени пропитки.

Для сравнения такую же заготовку пропитывали тем же составом путем погружения ее в иммерсионную ванну, заполненную пропитывающей жидкостью, в объеме жидкости возбуждали ультразвуковые колебания. При этом частота колебаний и амплитуда смещения излучающей поверхности акустического инструмента были такими же, что и у инструмента, используемого в предлагаемом способе по примеру 2. При указанных параметрах ультразвуковых колебаний излучающей поверхности акустического инструмента в пропитывающей жидкости наблюдалась развитая кавитация. Время пропитки составило 5 минут. Приращение массы заготовки после пропитки в пересчете на единицу поверхности в данном случае составило 3,710^-2 г/см², что примерно на 20% меньше, чем по предлагаемому способу.

Пример 3.

Брали заготовку из березы среза поперек волокон диаметром 85 мм и толщиной 20 мм с плотностью 0,46 г/см³ и с относительной влажностью 8%. Наливали на его торцевую поверхность слой жидкого антипирена той же марки, что в примере 1. Толщина слоя составила 2 мм. Для пропитки заготовки использовали тот же акустический инструмент, как в примере 1. Акустический инструмент устанавливали таким образом, что его излучающая поверхность располагалась с зазором 0,5 мм относительно поверхности заготовки, а вектор колебательной скорости излучающей поверхности составлял с нормалью к поверхности заготовки угол 0^o. Частоту ультразвуковых колебаний и амплитуду смещения излучающей поверхности акустического инструмента задавали, как в примере 2. При этом в пропитывающей жидкости наблюдался режим кавитации.

Пропитку осуществляли, перемещая инструмент над торцевой поверхностью заготовки по всей ее площади. Затем аналогичным образом осуществляли пропитку заготовки с другой ее торцевой поверхности. Время пропитки заготовки с каждой торцевой поверхности составило 5 минут.

Оценивали результаты пропитки по приращению массы заготовки после пропитки в пересчете на единицу поверхности. Приращение массы составило 12,010^-2 г/см².

Для сравнения такую же заготовку пропитывали тем же составом в ультразвуковом поле в иммерсионной ванне. Частота колебаний и амплитуда смещения излучающей поверхности акустического инструмента были такими же, что и у инструмента, используемого в предлагаемом способе по примеру 2, при этом в пропитывающей жидкости наблюдался режим кавитации. Время пропитки составило 5 минут. Приращение массы заготовки после пропитки в пересчете на единицу поверхности составило 8,010^-2 г/см², что примерно на 33% меньше, чем по предлагаемому способу.