древесный материал, пропитанный фурановым полимером, способ его получения и применение такого древесного материала

Формула изобретения

1. Пропитанный фурановым полимером древесный материал больших размеров, отличающийся тем, что пропитан раствором полимеризуемого мономера фурфуролового спирта, состоящим из фурфурилового спирта и одного дополнительного соединения, растворенного непосредственно в указанном фурфуриловом спирте для того, чтобы изготовить обрабатывающий раствор, причем указанное дополнительное соединение выбирают из малеинового ангидрида и фталевого ангидрида.

2. Пропитанный фурановым полимером древесный материал по п.1, отличающийся тем, что древесный материал представляет собой пиломатериал.

3. Пропитанный фурановым полимером древесный материал по п.1, отличающийся тем, что древесный материал является древесным композитом, таким как плита с ориентированными волокнами или древесностружечная плита.

4. Пропитанный фурановым полимером древесный материал по п.1, отличающийся тем, что концентрация указанного дополнительного соединения в указанном обрабатывающем растворе составляет от приблизительно 5% до приблизительно 20% от массы фурфурилового спирта.

5. Способ получения пропитанного фурановым полимером древесного материала больших размеров, отличающийся тем, что древесный материал пропитывают с использованием одностадийного пропитывания раствором полимеризуемого мономера фурфуролового спирта, состоящим из фурфурилового спирта и одного дополнительного соединения, растворенного непосредственно в указанном фурфуриловом спирте для того, чтобы изготовить обрабатывающий раствор, причем указанное дополнительное соединение выбирают из малеинового ангидрида и фталевого ангидрида, а после стадии пропитывания проводят стадию сушки для отверждения раствора.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что указанное отверждение проводят при температуре в интервале от приблизительно 70 до приблизительно 140°С.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что отверждение проводят при приблизительно 90°С в течение от приблизительно 10 мин до 2 ч и затем при приблизительно 140°С в течение от 15 мин до 4 ч или только при приблизительно 140°С в течение от 15 мин до 4 ч в зависимости от размера материала и типа применяемой сушилки.

8. Применение пропитанного фурановым полимером древесного материала, полученного способом, охарактеризованным в любом из пп.5-7, для производства изделий из древесины, выбранных из группы, состоящей из рукояток ножей, кухонных товаров, мебели, комнатного пола, верхних частей прилавков, строительных деталей, деталей судов, береговых сооружений и устройств, мебели для открытого воздуха, ружейных лож и револьверных рукояток, деталей музыкальных инструментов, жалюзи башенных охладителей, контейнеров и деталей машин.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к пропитанной фурановым полимером древесине, которая однородна по цвету и плотности во всей обработанной зоне. Для получения такой древесины исходная древесная заготовка была пропитана смесью, содержащей полимеризуемые органические соединения, по меньшей мере, фурфурилового спирта и одно дополнительное соединение. Изобретение относится также к способу приготовления древесины, пропитанной фурановым полимером, и к ее применениям.

Уровень техники

В соответствии с уровнем техники изготовление пропитанной фурановым полимером древесины осуществляется посредством пропитывания ее раствором фурфурилового спирта с последующей полимеризацией указанного спирта во внутреннем объеме древесины. В результате в обработанных зонах образуется темно-коричневый древеснополимерный композит. Указанное изготовление пропитанной древесины проводили по различным методикам, описанным далее.

1. Инициаторы

В самом старом способе инициаторами были водорастворимые соли, в частности хлорид цинка. Соль растворяли в воде, а затем раствор добавляли к фурфуриловому спирту. Масса соли составляла приблизительно 5% от массы указанного спирта. Далее этой смесью пропитывали древесину и полимеризовали смесь, используя нагрев. При пропитывании вода и соль удерживались древесиной около поверхности. Вследствие этого фурфуриловый спирт, глубже проникающий в древесину, лишался инициатора и плохо затвердевал. Поэтому применение этого способа ограничивалось короткими или тонкими кусками древесины.

В более новом способе применяли процесс, состоящий из двух стадий. Сначала приготавливали раствор хлорида цинка в воде. Древесину пропитывали этим раствором и высушивали. Количество высушенной соли составляло приблизительно 5% от рассчитанного количества фурфурилового спирта, предназначенного для впитывания на следующей стадии. Затем древесину пропитывали фурфуриловым спиртом. Далее проводили его сушку, используя нагрев. Посредством этого способа формировали однородный материал, но для этого требовались две стадии пропитывания и сушки.

2. Размер материала

В более старом способе по указанным выше причинам требовались тонкие сечения и древесные заготовки укороченной длины. При такой обработке пиломатериал с заданными размерами имел сильные градиенты цвета и плотности, причем более плотный и более темный материал находился у поверхностей обработанной древесины. В хорошо обработанных зонах около поверхностей (или в небольших кусках) значения плотности, полученные в результате обработки, лежали в интервале 0,9-1,15 г/см³. В тоже время во внутреннем объеме плотность оставалась такой же, как и у исходной древесной заготовки, причем обычно присутствовал неотвержденный фурфуриловый спирт.

По сравнению с этим способом более новый его вариант не имел ограничений по размерам, но занимал гораздо больше времени, т.к. сушка на первой стадии требовала осторожности, чтобы предотвратить расщепление и искривление.

3. Цвет материала

При применении более старого способа из-за указанных выше градиентов цвет материала изменялся по глубине в направлении от поверхностей. Поэтому материал более светлого цвета, у которого цвет изменяется в зависимости от расстояния от поверхности, подвергали механической обработке, в том числе шлифовке. Более новый способ обеспечивал отличный цвет по всему объему.

Ближайшим аналогом изобретения, относящегося к древесному материалу, является описанный в патенте США №2909450, 1959, древесный материал, пропитанный составом, содержащим фурфуриловый спирт, катализатор (например, нитрат кадмия, нитрат никеля, хлорид цинка, двухосновные и трехосновные органические кислоты), воду и дополнительно фурфурол. В данном патенте раскрыт также одностадийный способ пропитки древесины составом, включающим указанные компоненты, и применение пропитанной древесины для изготовления изделий, обладающих повышенной стойкостью к внешним воздействиям, в том числе к щелочным реагентам. Однако известный способ не позволяет обеспечить очень высокую равномерность окраски пропитанного древесного материала по его глубине, а также возможность получения разнообразных оттенков окраски, варьируя содержание различных компонентов пропитывающего состава.

Сущность изобретения

Одна из главных задач, на решение которых направлено изобретение, состоит в получении древесины, пропитанной фурановым полимером, с применением, по меньшей мере, двух химических реактивов для получения однородного пропитывающего раствора.

Другой задачей изобретения является получение однородного распределения химических реактивов, обеспечивающего одинаковую темную окраску, в древесине, пропитанной фурановым полимером, которая однородна по цвету и плотности по всей обработанной зоне.

Следующая решаемая изобретением задача заключается в получении древесины, пропитанной фурановым полимером, которая имеет улучшенные свойства, в том числе с точки зрения стойкости к гниению и способности сохранять размеры.

Согласно настоящему изобретению перечисленные и другие задачи решаются созданием продукта, способа, а также новым применением, как это изложено в формуле изобретения.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается древесный материал (древесина), пропитанная фурановым полимером. Указанная древесина характеризуется тем, что она пропитана раствором полимеризуемого мономера фурфуролового спирта, причем указанный раствор содержит, по меньшей мере, фурфуриловый спирт и одно дополнительное соединение, выбранное из малеинового ангидрида, фталевого ангидрида, малеиновой кислоты, яблочной кислоты, фталевой кислоты и их комбинаций.)

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ приготовления древесины, пропитанной фурановым полимером. Способ характеризуется тем, что древесину пропитывают с использованием одностадийного пропитывания раствором полимеризуемого мономера фурфуролового спирта, причем указанный раствор содержит, по меньшей мере, фурфуриловый спирт и одно дополнительное соединение, которое выбирают из группы, состоящей из ангидридов, кислот и их комбинаций. За этой стадией следует стадия сушки для отверждения раствора.

К ключевым моментам изобретения относится применение одного или нескольких химических реактивов, функционирующих в качестве новых инициаторов. Сродство по отношению к древесине у этих инициаторов примерно такое же, как у фурфурилового спирта, поэтому они проникают в древесину, сохраняясь в растворе при любой глубине его проникновения. В любой точке проникновения раствор сохраняет полимеризуемость. Инициаторы выбирают из перечня любых соединений, содержащих ангидрид, а также из кислот, выбранных из группы, состоящей из малеиновой, яблочной, фталевой и стеариновой кислот. Однако предпочтительно применять соединение, выбранное из малеинового ангидрида, фталевого ангидрида и их комбинации. Более предпочтительно применение малеинового ангидрида, фталевого ангидрида или их комбинации, а самым предпочтительным вариантом являются малеиновый ангидрид или фталевый ангидрид. Для приготовления обрабатывающего раствора, по меньшей мере, один из этих инициаторов, предпочтительно только один из них, растворяют непосредственно в фурфуриловом спирте, формируя раствор, который при комнатной температуре пригоден в течение нескольких месяцев. Концентрация лежит в интервале от приблизительно 5% до приблизительно 20% от массы фурфурилового спирта. При более низких концентрациях время хранения увеличивается, а отверждение при нагреве протекает более медленно. Более высокие концентрации применяют в тех случаях, когда требуются ускоренная сушка или температуры сушки ниже нормальных, а также при применении древесины, содержащей ингибиторы полимеризации.

Пропитывание древесины раствором, инициирующим обработку, проводят, применяя так называемый "full-cell" процесс, или процесс Бетелла (Bethell), использующий обработку в вакууме с последующим приложением давления, превышающего атмосферное и лежащего в интервале от приблизительно 98 кПа (1 ат) до приблизительно 196 кПа (20 ат). Начальный вакуум может выдерживаться в течение времени от приблизительно 5 мин до приблизительно 30 мин или более, а давление, превышающее атмосферное, - в течение времени от приблизительно 20 мин до приблизительно 1 ч или более.

Отверждение проводят, применяя тепло, доставляемое горячим воздухом, паром, горячим маслом или высокочастотным нагревом. Тепло активирует инициаторы и определяет начало полимеризации. Обычная температура сушки может лежать в интервале от приблизительно 70°С до приблизительно 140°С. Процесс сушки требует выдержки в течение некоторого времени при приблизительно 90°С с последующей выдержкой в течение некоторого времени при 140°С или выдержки в течение некоторого времени только при 140°С. Промежутки времени будут изменяться в зависимости от размера материала и типа сушилки. Время сушки может находиться в интервале от приблизительно 0,5 ч до приблизительно 12 ч, преимущественно от приблизительно 0,5 ч до приблизительно 6 ч. Время и нижняя граница температуры обработки некритичны. Однако стадия обработки при повышенной температуре является новой и критичной для получения продукта хорошего качества. При применении горячего воздуха температура сушки равна приблизительно 90°С. Материал помещают в нагретую среду. Когда его температура достигает приблизительно 90°С, начинается экзотермическая реакция полимеризации. Генерируемое реакцией дополнительное тепло ускоряет отверждение, которое завершается в течение нескольких минут. Затем приблизительно на 1 ч температуру повышают до приблизительно 140°С, чтобы удалить продукты реакции и неотвержденный мономер (неотвержденные мономеры). Заключительная высокотемпературная стадия после сушки является ключевым моментом изобретения. В порядке альтернативы в качестве максимальной температуры можно использовать температуру, при которой имеет место обжиг древесного материала. В случае применения воздушной атмосферы наличие кислорода облегчит обжигание древесины. Чтобы избежать этой проблемы, следует использовать атмосферу, свободную от кислорода.

Исходным материалом является древесный материал, обычно пиломатериал, в том числе доска (толстый пиломатериал), но это могут быть также и древесные композиты, такие как плита с ориентированными волокнами и древесностружечная плита. Можно применять древесные материалы с любыми размерами, причем предпочтительны большие размеры, в рамках которых у конечного материала максимальная длина, максимальный диаметр и максимальное поперечное сечение составляют соответственно 100 м, 7 м и 40 м². Обычно пиломатериал (доска) имеет максимальную толщину 50 мм. Однако более важным параметром является длина, т.к. обрабатывающий раствор очень быстро перемещается по длине, но очень медленно - поперек поперечного сечения. В случае древесины, способной к пропитыванию, такой как бук или береза, однородность обработки определяется тем, насколько удовлетворительно пропитывающий раствор сохраняет однородность при его перемещении по длине.

После завершения пропитывания древесный материал, сформированный посредством способа по изобретению, имеет однородные свойства по всему объему. Постоянны по всему объему цвет, устойчивость к влаге и порче, а также механические свойства. Свойства и цвет индивидуальных фрагментов пиломатериала, обработанного таким образом, зависят от достигнутой загрузки полимером. Различные породы древесины и даже различные плиты из одних и тех же пород могут пропитываться по-разному. Те плиты, которые воспринимают большее количество полимера, имеют более темный цвет и повышенную твердость. Однако влияние указанной загрузки на устойчивость к влаге и порче незначительно.

Содержание влаги в древесном материале может находиться в интервале выше приблизительно 30%, а предпочтительно превышать приблизительно 15%, но может быть также и ниже 15%. Однако этот параметр для древесного материала не критичен.

В качестве основного применения древесного материала по изобретению (т.е. изготовленного описанным способом) является производство различных изделий из древесины, в том числе рукояток ножей, кухонных товаров (ложки, вилки, разделочные доски, скалки), мебели, комнатного пола, верхних частей прилавков, строительных деталей (облицовка, карнизы, наружная обшивка, подоконники, рамы), деталей судов (поручни, полы, отделка палубы, настил палубы, мебель, арматура), береговых сооружений и устройств (доки, пирсы, ловушки для омаров), мебели для открытого воздуха, ружейных лож и револьверных рукояток, деталей музыкальных инструментов (клавиши роялей, скрипичные и гитарные грифы и перемычки), жалюзи башенных охладителей, контейнеров (баки для каустической соды или коррелирующих веществ), деталей машин (пластины конвейеров, направляющие для пил, верхние части столов для распиловочных и строгальных станков).

При этом древесный материал, в том числе его дешевые модификации и стружечный материал, можно применять для производства ценных изделий из древесины, имитирующих, например, тиковое дерево, красное дерево, ротанговую пальму и т.д., а также для придания указанным изделиям новых свойств с точки зрения водостойкости и более простых и пониженных требований в отношении ухода.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Хотя в данном описании обсуждаются специфические составы, способы и применения, нужно иметь в виду, что этим конкретным указаниям не следует придавать ограничительного характера; они включены в описание в качестве примеров, иллюстрирующих оптимальный вариант согласно настоящему изобретению.

Пример

Доски из трех твердых пород древесины длиной приблизительно 1 м и толщиной приблизительно 12 мм увязали в пачки и подвергали вакуумно-компрессионному пропитыванию, применяя обрабатывающий раствор, содержащий 5% малеинового ангидрида и 95% фурфурилового спирта. Провели отверждение в сушилке, использующей горячий воздух, при 95°С в течение 2 ч с последующей выдержкой в течение 3 ч при 140°С. На каждой стадии обработки каждую пачку взвешивали. В конце операции рассчитали уровень превращения мономера в полимер с учетом потери продуктов реакции. Некоторые доски после обработки разрезали и оценивали однородность их обработки по изменению цвета.

Данные по обработке приведены в таблице, в которой типы 1, 2 и 3 древесины относятся соответственно к буку, клену и березе.

	а	б	в	г	д	е	ж	з
	6% СВ необраб., кг	Рассчит. масса, кг	6% СВ обработ., кг	Масса отвержд., кг	Моном., %	Полим., %	Полим. превращ., %	Плотность, г/см3
1	30,00	28,30	54,24	48,94	92	73	98	1,12
2	30,90	29,15	56,30	49,10	93	68	90	1,04
3	25,36	23,92	50,78	43,22	112	81	88	0,99

где

а) - масса, полученная при содержании влаги (СВ) 6%,

б) - рассчитанная масса после сушки в сушилке (СВ 0%),

в) - зарегистрированная масса после пропитывания (еще включающая в себя влагу),

г) - масса после сушки, учитывающая удаление влаги вследствие нагрева,

д) - процентное содержание мономера в древесине (из в)), определенное на основе рассчитанной массы при СВ 0%,

е) - процентное содержание полимера в древесине (из г)), определенное на основе рассчитанной массы при СВ 0%,

ж) - процентное содержание мономера, превращенного в полимер во время сушки,

з) - конечная плотность (после сушки).

Клен и береза проявили себя сходным образом. Они очень хорошо пропитывались, но поверхности обрабатывались немного лучше, чем внутренние объемы, коричневый цвет которых был светлее. По сравнению с буком эти материалы имели немного пониженные поглощение, плотность и эффективность превращения. Бук имел наивысшие уровни поглощения, превращения и плотности, причем он оказался равномерным образом обработанным по всему объему. Из использованных образцов он был наилучшим. При разрезании бук демонстрировал однородный темный цвет по всему объему.

С использованием новых формулы пропитывания и схемы сушки был получен однородный древеснополимерный композит с использованием бука и более или менее однородный материал с использованием клена и березы.

Для специалистов в данной области будет понятно, что в составы, способы и применения по настоящему изобретению могут быть внесены различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема его защиты. Соответственно предусматривается, что настоящее изобретение включает в себя все подобные изменения и модификации, лежащие в границах прилагаемой формулы изобретения, а также их эквиваленты.