способ термической обработки древесины и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ термической обработки древесины для улучшения ее основных характеристик, включающий нагревание древесины до 140-150°С в атмосфере воздуха, дальнейший нагрев древесины в атмосфере водяного пара до 210-220°С, осуществляемый посредством постоянного дозированного впрыска воды в камеру и вытеснения воздуха и иных газов из камеры образующимся водяным паром, саморазогрев до 230-240°С в течение 30-60 мин, остановку саморазогрева с помощью управляемого впрыска воды и охлаждение древесины в атмосфере 100%-ного пересыщенного водяного пара путем регулируемого впрыска воды.

2. Способ по п.1, в котором создают давление водяного пара в камере на 10% выше атмосферного.

3. Способ по п.1, в котором нагревание древесины до 140-150°С в атмосфере воздуха производят в течение 2-3 ч.

4. Способ по п.1, в котором дальнейший нагрев древесины в атмосфере водяного пара до 210-220°С производят в течение 2-3 ч.

5. Устройство для термообработки древесины способом по п.1, содержащее теплоизолированный от окружающей среды корпус с герметично закрываемым отверстием для загрузки древесины, расположенную внутри корпуса камеру, соединенную через воздуховоды с тепловым высокотемпературным вентилятором для нагнетания воздуха, со скруббером для очистки выбрасываемой воздушной смеси, с блоком управления нагревом воздуха, включающим воздушные ТЭНы и управляющие термопары - датчики измерения и контроля температуры, сигналы с которых поступают в шкаф управления, связанный с впрыскивающим устройством для дозированной подачи воды, связанным с камерой, а также блоком нагрева и вентилятором.

6. Устройство по п.5, содержащее расположенную внутри камеры параллельно стенкам камеры перфорированную стенку.

7. Устройство по п.5, в котором отверстие для загрузки выполнено в виде теплоизолированной двери.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам для термообработки древесины.

Разбухание древесины во влажной среде и ее подверженность воздействию грибков и различным биологическим поражениям породила исследования с целью увеличения ее стабилизации и ограничения поглощения влаги.

Известен способ обработки древесины, включающий ее ступенчатое нагревание в среде водяного пара и воздуха. Водяной пар необходим, чтобы препятствовать горению древесины (Review of Heat Treatments of Wood, Proceedings of Special Seminar held in Antibes, France on 9 February, 2001, p.2-5) [1].

В результате применения этого способа изменяются физические и химические свойства древесины. Термообработка затемняет цвет, уменьшает сжатие и расширение древесины и улучшает равновесие влагосодержания. Улучшается сопротивление гнили, а также уменьшается восприимчивость к поражению грибками. Однако наличие воздуха может привести к излишнему окислению древесины, чрезмерному саморазогреву ее при достижениии максимальных температур обработки, а также к излишнему ее почернению и разрушению в процессе обработки.

Известен способ обработки древесины, включающий ее ступенчатое нагревание с последующим охлаждением. Процесс проводят по крайней мере в течение стадии охлаждения при полном отсутствии кислорода, в атмосфере азота (См., например, патент Франции N 2786426, кл. В 27 К 3/02, опублик. 2000) [2].

Использование этого способа также позволяет улучшить физические и химические свойства древесины. Однако полное отсутствие иных модифицирующих агентов в среде азота не позволяет приобрести древесине некоторые полезные свойства, которые она могла бы иметь после обработки в соответствующей среде.

Была поставлена задача разработки такого способа обработки древесины, который позволил бы древесине наряду с улучшением основных характеристик, таких как влагоотталкивание, стабильность геометрии и устойчивость к биологическим поражениям, приобрести некоторые дополнительные ценные свойства за счет возможности участия при ее обработке способных к модификации агентов.

Поставленная задача была решена с помощью настоящего изобретения.

Был разработан способ термической обработки древесины для улучшения ее основных характеристик, включающий нагревание древесины до 140-150°С в атмосфере воздуха, дальнейший нагрев древесины в атмосфере водяного пара до 210-220°С, осуществляемый посредством постоянного дозированного впрыска воды в камеру и вытеснения воздуха и иных газов из камеры образующимся водяным паром, саморазогрев до 230-240°С в течение 30-60 мин, остановку саморазогрева с помощью управляемого впрыска воды и охлаждение древесины в атмосфере 100% пересыщенного водяного пара путем регулируемого впрыска воды.

Температура и длительность обработки зависят от необходимости получения того или иного свойства материала. Максимальная температура, а также график ее изменения зависит от породы и качества исходного материала и может задаваться пользователем. В процессе обработки температура поддерживается автоматически по заданной программе.

Нагревание древесины до 140-150°С в атмосфере воздуха предпочтительно производят в течение 2-3 час.

Дальнейший нагрев древесины в атмосфере водяного пара до 210-220°С предпочтительно производят в течение 2-3 час.

Предпочтительно создают давление водяного пара в камере на 10% выше атмосферного.

Древесина, полученная по данному способу, называется WEST- WOOD (исходя из словосочетания Water Exstrusing Stabilisated Wood).

Данная задача была также решена другим изобретением - устройством для обработки древесины, позволяющим осуществить вышеупомянутый способ.

Устройство для термообработки древесины содержит теплоизолированный от окружающей среды корпус с отверстием для загрузки древесины, расположенные внутри корпуса камеру, соединенную через воздуховоды с тепловым высокотемпературным вентилятором для нагнетания воздуха, со скрубером для очистки выбрасываемой воздушной смеси, с блоком нагрева воздуха, содержащим воздушные ТЭНы и управляющие термопары - датчики измерения и контроля температуры, сигналы с которых поступают в шкаф управления, связанный с впрыскивающим устройством для дозированной подачи воды, а также блоком нагрева и вентилятором.

Отверстие для загрузки в данном устройстве предпочтительно выполнено в виде теплоизолированной двери для загрузки, оснащенной прижимным устройством.

Данное устройство предпочтительно содержит расположенную внутри камеры параллельно стенкам камеры перфорированную стенку.

Как видно из вышеприведенного описания, обработка древесины производится при повышенных температурах при полном отсутствии воздуха, но в присутствии водяного пара. При этом вода, как можно полагать, играет в этом процессе роль не только охлаждающего агента, но и модификатора. В результате термообработки по данному способу в атмосфере пересыщенного водяного пара при температурах существенно выше 100°С, атомы водорода из водяного пара присоединяются к концам образующих древесину молекул с образованием новых связей. Кроме того, нагревание древесины начиная со 160°С приводит к эффекту "скручивания" линейных молекул древесины в "кольца", вследствие чего молекулы воды не могут присоединяться к молекулам, находящимся внутри такого "кольца", и это является дополнительным фактором, препятствующим смачиванию древесины (что происходит, однако, при любой термообработке древесины выше 160°С). В нашем процессе в результате прикрепления атомов водорода к внешней стороне "кольца" они образуют дополнительную защиту от проникновения молекул воды не только внутрь таких "колец", но и препятствуют приближению молекул воды вообще к молекулам древесины. При эксплуатации обработанной древесины во влажной среде молекулы воды отталкиваются от древесины (что приводит к эффекту "несмачивания"), в результате чего вода в древесину, обработанную предложенным способом, проникает минимально, причем только за счет пористости структуры самой древесины, но не за счет смачивания. Также легко вода испаряется из древесины. Такое свойство отталкивания воды обработанной этим способом древесиной на молекулярном уровне устраняет эффект "разбухания" материала, присущий необработанному дереву.

На приведенной ниже Фиг.1 представлены результаты эксперимента по динамике набора воды обработанным и необработанным деревом (древесина находилась в воде почти 7 суток, а затем высыхала при комнатной температуре). Обработанная древесина набрала 18% влажности против 70% необработанной.

При использовании данного способа древесина приобретает стабильность геометрии. Это свойство древесины возникает за счет структурирования молекулярных цепочек древесины и приобретения ими дополнительной жесткости за счет улетучивания и разложения высокомолекулярных соединений (смол). В эксперименте обработанная древесина практически не изменила свои размеры (увеличение на 1%) против необработанной, которая "разбухла" на 17%.

Обработанная по данному способу древесина также приобретает устойчивость к биологическим поражениям. Высокие температуры обработки разлагают полисахариды в древесине, что на фоне ее очень малой остаточной влажности 2-4% (древесина при высокой температуре обработки отдает также и связанную на молекулярном уровне воду) создает практически абсолютную устойчивость любой древесины, обработанной высокими температурами, к воздействию на нее грибка и микроорганизмов.

Как можно понять, по сравнению с известными финским и французским способам [1] и [2] термообработки предложенный способ имеет ряд принципиальных отличий:

- Применяется атмосфера пересыщенного пара в качестве инертной среды (в [2] применяется азот в качестве инертной среды при полном удалении кислорода, а в [1] пар применяется для препятствия горению в смеси с воздухом).

- Контролируемый впрыск воды применяется не только для создания паровой среды, но также и для контролируемого охлаждения в цикле выхода из высоких температур (при испарении вода забирает энергию окружающего воздуха, приводя к его охлаждению).

В цикле нагревания используется управляемая термохимическая реакция, которая происходит при температуре в древесине 210-220°С и приводит к дополнительному нагреву древесины по отношению к нагреваемому воздуху. Как видно из графика финского процесса ниже (Фиг.2), в стадии нагрева воздух имеет более высокую температуру, а в стадии охлаждения - более низкую, при этом температура не достигает требуемых 210°С для начала термохимической реакции и эффекта превышения температуры дерева над температурой воздуха не наблюдается и не используется.

В заявленном способе термохимическая реакция используется так, что режим нагрева воздуха подбирается с ее учетом (при снижении температуры древесины ниже 210°С реакция прекращается). Таким образом, режим обработки в атмосфере пересыщенного водяного пара с учетом термохимической реакции является принципиально новой технологией, не использовавшейся ранее. Ниже приведены графики температурного режима нагрева и охлаждения, использующегося при ретификации (Фиг.3) и по предложенному способу (Фиг.4).

Таким образом, для получения древесины по данному способу используются ряд воздействий:

- Пересыщенный водяной пар высоких температур, получаемый в результате контролируемого впрыска воды на определенных этапах цикла обработки.

- Поэтапный (возможно, контролируемый автоматикой) медленный нагрев воздушной среды в камере до температуры 210-220°С. Это приводит к управляемой термохимической реакции в древесине, которая наступает при температуре 210°С и проводит к дополнительному нагреву древесины до температур 230-240°С (на 20-30°С больше, чем температура окружающего воздуха).

- Поэтапное (возможно, контролируемое автоматикой) медленное охлаждение воздушной среды в камере за счет управляемого впрыска воды в камеру (приводящее к гашению реакции) с температуры 210-220 до 20°С.

- Инертная среда обработки из 100% пересыщенного водяного пара, создаваемая в режиме нагрева при температурах выше 150°С и в режиме охлаждения вплоть до температуры 80-100°С, нагнетаемого под небольшим избыточным давлением, что приводит к полному вытеснению воздуха из камеры обработки. Оригинальный программируемый режим обработки, включающий стадию постепенного нагрева (4 часа), которая приводит к запуску термохимической реакции, поддерживаемой температурой воздуха 210-220°С (0,5-1 час в зависимости от требуемой степени обработки), затем стадия охлаждения с помощью регулируемого впрыска воды (6-7 часов).

Устройство для обработки древесины состоит из цельнометаллического корпуса из нержавеющей стали, теплоизолированного от окружающей среды, теплового высокотемпературного вентилятора, впрыскивающего устройства дозированной подачи воды (в режимах нагрева и охлаждения), блока нагрева вроздуха (воздушные ТЭНы и управляющие термопары), скруббера (устройства очистки выбрасываемой в окружающую среду воздушной среды), шкафа управления, программируемого для различных пород дерева и различных режимов обработки. Камера также имеет режим аварийной остановки (в случае отклонения необходимых для обработки параметров от заданных значений).

На Фиг.5 данное устройство показано со следующими позициями:

1 - корпус камеры, 2 - теплоизолированная дверь загрузки, 3 - вентилятор, 4 - впрыскивающее устройство дозированной подачи воды, 5 - скруббер, 6 - шкаф управления, 7 - управляющие термопары, 8 - воздушные тэны, 9 - теплоизоляция, 10 - перфорированная стальная стенка, через которую проходит воздух

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг.1 показана динамика поглощения и испарения воды обработанным и необработанным деревом (береза), погруженным целиком в воду и обсыхаемым при комнатной влажности и температуре

На Фиг.2 изображен график температурного режима обработки дерева по [1].

На Фиг.3 показаны графики температурного режима нагрева и охлаждения, использующегося при обработке древесины по известному способу [2].

На Фиг.4 показан температурный режим обработки дерева по предложенному способу.

На Фиг.5 изображена схема предлагаемого устройства.

Работа заявленного устройства и осуществление способа иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Древесину (сухая обрезная доска, береза) толщиной 50 мм, длиной 3 м и шириной 150 мм закладывают на тележку в виде палеты и перекладывают поперечными рейками из того же материала толщиной 30 мм. Теплоизолированную дверь 2 открывают, внутрь камеры 1 закатывают тележку с палетой, и затем дверь 2 закрывают с помощью прижимного устройства (на чертеже не показано). С помощью шкафа управления 6 задают два режима (режим обработки - скорость нагрева, предусмотренный для данной породы дерева (береза) и температурный режим для достижения той или иной степени обработки (максимальная температура и время выдержки при этой температуре). Программируют следующие значения: нагрев воздуха до 140°С в течение 3 час. Управляемый шкаф 6 включают кнопкой ПУСК, при этом включаются вентилятор 3, воздушные ТЭНы 8. Воздух засасывается вентилятором 3 из камеры 1, нагревается воздушными ТЭНами и поступает обратно в камеру 1 по воздуховодам (на чертеже не показано), равномерно распределяется по всему объему камеры через перфорированную стальную стенку 10 и отдает тепло обрабатываемому материалу. В шкаф 6 поступают сигналы с управляющих термопар 7 - датчика измерения и контроля температуры. При достижении температуры 140°С управляющий шкаф 6 включает устройство для дозированной подачи воды 4. Вода, попадая в камеру 1, подхватывается потоком воздуха и быстро испаряется. Образующийся пар постепенно вытесняет воздух из камеры, избыток смеси пара и воздуха поступает в скруббер 5. В скруббере 5 с помощью проточной воды и адсорбента (уголь) воздух очищается и выбрасывается в атмосферу. Теплоизоляция 9 обеспечивает поддержание требуемой температуры и минимизирует теплообмен камеры 1 с окружающей средой. Управляющий шкаф 6 обеспечивает дальнейший нагрев парогазовой среды в камере до 220°С. Управляющая термопара 7 через шкаф 6 обеспечивает подачу сигналов на ТЭНы 8, которые поддерживают температуру воздушной среды в течение 30-60 мин в зависимости от заданной программы обработки. При этом за счет термохимической реакции температура древесины возрастает до 235°С. Затем ТЭНы 8 отключаются, и в камеру подается вода через впрыскивающее устройство дозированной подачи воды 4. Это приводит к уменьшению температуры пара в течение 6-7 часов. При снижении температуры в камере менее 150°С автоматически прекращается подача воды.

Для обеспечения равномерности охлаждения, что определяется посредством управляющей термопары 7, в фазе охлаждения могут также подключаться воздушные ТЭНы 8.

После охлаждения обработанной древесины в камере до комнатной температуры теплоизолированную дверь 2 открывают, тележку с палетой выкатывают и выгружают готовый продукт.

Получают древесину темно-коричневого цвета с выраженным запахом, которая показывает следующие свойства:

1) Влагопоглощение уменьшено в 4 раза по сравнению с необработанной древесиной.

2) Колебания размеров уменьшены в 17 раз по сравнению с необработанным продуктом.

Пример 2.

Обработку древесины осуществляли по примеру 1, однако при следующих параметрах:

- нагревание в атмосфере воздуха производят до 140°С

- максимальная температура нагрева древесины - 210°С

- последнюю температуру удерживали в течение 30 мин.

Получают древесину цвета темный орех (светлее, чем в Примере 1) со следующими свойствами:

1) Влагопоглощение уменьшено в 3 раза по сравнению с необработанной древесиной.

2) Колебания размеров уменьшены в 10 раз по сравнению с необработанным продуктом.

Пример 3 (сравнительный)

Обработку древесины осуществляли при температурных режимах примера 1, однако вместо впрыска воды при 140°С начали подавать азот из баллона вплоть до стадии полного охлаждения. В результате получили древесину такого же цвета, как и в примере 1, однако со следующими свойствами:

1) Влагопоглощение уменьшено в 2,8 раза по сравнению с необработанной древесиной.

2) Колебания размеров уменьшены в 9 раз по сравнению с необработанным продуктом.

Пример 4 (сравнительный).

Обработку древесины осуществляли по примеру 1, однако впрыск воды прекратили, когда концентрация кислорода осталась 3-4%.

Получили древесину темно-коричневого цвета с частично обугленной поверхностью черного цвета.

Таким образом, древесина, полученная по предложенному способу, имеет лучшие свойства, чем полученная по известным способам [1] и [2].

Ниже описаны возможные применения полученной по предлагаемому изобретению древесины в строительстве и в отделке.

- Двери из цельного массива древесины WEST-WOOD никогда не будут "гулять" по размерам и при цене, сравнимой со стоимостью обычных дверей из ДСП, по дизайну и качеству полностью соответствуют импортным итальянским дверям.

- Евроокна из древесины WEST-WOOD решают "вечные" проблемы деревянных окон - колебания размеров и гниение от постоянного соприкосновения с влагой.

- Паркет из древесины WEST-WOOD будет укладываться без зазоров, поскольку колебания размеров древесины WEST-WOOD в 17 раз уменьшены. Возможно изготовление цветного паркета за счет разных степеней обработки древесины.

- Деревянная плитка для санузлов и кухонь станет достойной альтернативой холодной кафельной плитке для пола и стен.

- Цельные ванные и раковины из ретифицированной древесины уже продаются в Париже. Необычно, красиво и полезно для здоровья.

- Сауны сохранят свой первозданный вид, несмотря на постоянные перепады влажности и температуры. И запах натурального дерева!

- Мебель для кухни естественно должна быть произведена из натурального экологически чистого материала с повышенной защитой от влаги и бактерий.

- Садовая мебель из древесины WEST-WOOD будет практически вечной (и это без использования вредоносных химических пропиток!).

- Внешняя отделка и сайдинг домов и построек не только придаст дому красивый и дорогой вид, но и действительно защитит его от влаги, холода и шума. И такой дом не придется снова красить на следующий год!

- И еще ряд применений древесины WEST-WOOD: отделка яхт, мощение прибассейновых территорий, изготовление шумовых ограждений на автострадах, заборы, любые наружные сооружения и еще тысячи применений.

Другие полезные свойства изделий из древесины WEST-WOOD:

- Улучшенное качество поверхности и полное отсутствие проблем с осаждением пыли

- В большинстве случаев не требует покраски

- Долговечность

- Существенное уменьшение усыхаемости

- Длительная устойчивость к давлению

- Однородность цвета на всю глубину

- Устойчивость к высоким температурам

- Повышенные противопожарные и теплоизолирующие свойства

- Выраженный запах натурального дерева

- Абсолютная экологическая чистота.