способ глубокого окрашивания древесины

Формула изобретения

1. Способ глубокого окрашивания древесины, заключающийся в том, что в качестве поставщика аммиака для аммиачного крашения древесины под давлением и при повышенной температуре используют диаммонийфосфат.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку древесины осуществляют при давлении 2-10 атмосфер и температуре 110-160°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической обработке древесины с целью придания ей улучшенных декоративных свойств.

Одним из способов облагораживания древесины малоценных пород дерева (береза, осина, тополь, ольха и др.), улучшения их декоративных свойств, повышения прочности, атмосферо- и биостойкости является глубокое (сквозное) химическое окрашивание реагентами, образующими с целлюлозно-лигниновыми структурными единицами древесины прочные окрашенные комплексы, устойчивые к воздействию атмосферной влаги, кислороду воздуха, ультрафиолету.

Известно химическое окрашивание (морение) древесины лиственных и хвойных пород дерева парами биурета (патент RU 2053874) или его предшественником - мочевиной. Биурет нагревается вместе с окрашиваемым лесоматериалом в герметично закрытом реакторе. Источником образования биурета (т. пл. 190°С) служит карбамид (мочевина), плавящийся с разложением при 130°C. При медленном нагревании карбамида до 150-160°С образуется изоциановая кислота и аммиак. Аммиак участвует в химическом окрашивании древесины, и равновесие в системе смещается в сторону образования изоциановой кислоты, которая, взаимодействуя при повышенной температуре с карбамидом, образует биурет. Пары биурета также окрашивают древесину.

Основным недостатком «карбамидо-биуретового» окрашивания является ведение процесса при сравнительно высоких температурах (160-170°С) течение 4-6 часов. В результате происходит частичная деструкция целлюлозы под действием аммиака и высоких температур, снижение прочностно-механических характеристик окрашиваемой древесины. Кроме того, концентрация биурета (или мочевины) в процессе окрашивания древесины убывает, давление в реакторе уменьшается, и, таким образом, процесс протекает в нестабильном режиме.

Известен способ обработки древесины газообразным аммиаком в кислородосодержащей атмосфере или последовательная аммиачная и кислородная обработка при повышенной температуре и давлении (патент RU 2089384, выбранный в качестве прототипа), в котором в качестве источника аммиака используют карбонат аммония. В патенте JP 5138616 для этой же цели используют гидрогенкарбонат. Выделяющийся аммиак при повышенной температуре и давлении вступает в реакции с фенольными компонентами лигнина с образованием окрашенных конденсированных систем.

Данный способ технологически и экологически опасен и предназначен для окрашивания небольших заготовок. Двухстадийная технология аммиачно-кислородного окрашивания древесины, масштабированная на ее промышленное внедрение, потребует использования сжатых газов, пожаро- и взрывоопасных в обращении, использования вакуумно-компрессорного оборудования, отвода отработанных газов и их экологически безопасной утилизации. Ряд технологических режимов, предложенных в рассматриваемом способе аммиачно-кислородного окрашивания дерева, невозможен в промышленном варианте. Карбонат и гидрогенкарбонат аммония легко разлагаются на воздухе, особенно во влажной атмосфере, и непригодны для хранения и транспортировки в больших объемах.

Технической задачей является повышение технологичности и эффективности газового аммиачного крашения различных пород древесины.

Технический результат достигается в способе глубокого окрашивания древесины, заключающегося в том, что в качестве поставщика аммиака для аммиачного крашения древесины под давлением и при повышенной температуре используют диаммонийфосфат. Обработку древесины осуществляют при давлении 2-10 атмосфер и температуре 110-160°С.

Способ реализуют следующим образом.

В автоклав помещают древесину и кристаллический диаммонийфосфат. Поднимают давление и температуру. Термический распад диаммонийфосфата начинает происходить уже при температуре 70°С, а при 105-110°С основная часть его превращается в аммонийфосфат, который при дальнейшем повышении температуры, теряя аммиак, переходит в полифосфаты аммония. Таким образом, в течение всего процесса окрашивания происходит образование газообразного аммиака. Для эффективного окрашивания поддерживают повышенное давление аммиака.

Рабочий режим подбирается так, чтобы диаммонийфосфат разлагался частично, образуя в остатке смесь кислых фосфатов аммония, известную как концентрированное фосфорно-аммиачное удобрение - аммофос. По завершении процесса, с понижением температуры, часть аммиака вступает в реакцию с образовавшимися веществами с образованием исходного вещества - диаммонийфосфата.

Задавая выбранные режимы температуры и давления в автоклаве, можно вести процесс окрашивания древесины в любые цветовые оттенки коричневого цвета - от золотисто-желтого (с зеленоватым и фисташковым оттенком) до темно-коричневого. Высокая технологичность одностадийного процесса обеспечивается контролем концентраций экологически безопасных реагентов, задаваемой температурой, давлением и временем проведения окрашивания.

ПРИМЕР 1. В автоклав с рабочим объемом 50 л, выполненный из нержавеющей стали и снабженный реакторным патроном для загрузки в него кристаллического реагента, помещают 5 березовых брусков с размерами 50 мм × 60 мм × 2200 мм, влажностью древесины 18% и общей массой 21,0 кг. В перфорированный реакторный патрон помещают 1600 г сухого кристаллического диаммонийфосфата, загружают его в поддон автоклава, аппарат герметизируют, включают внутренний обогрев и повышают температуру в автоклаве до 110°С в течение 2 часов. Регулируют температуру в автоклаве в пределах 110-140°С, создают давление аммиака в 4,5-4,8 атм. В таком технологическом режиме выдерживают окрашиваемую древесину 4 часа, после чего обогрев автоклава отключают, охлаждают до комнатной температуры, снижают давление до атмосферного, аппарат разгерметизируют и извлекают окрашенную древесину. Березовые бруски равномерно, по всему объему окрашиваются в коричневый цвет с приятным шелковистым блеском поверхности скола. Древесина хорошо режется, пропитывается огне- и биозащитными растворами, сохраняя при этом приобретенную в процессе аммиачного газового крашения окраску. Благодаря относительно мягкому технологическому режиму газового крашения температурной диструкции древесины не происходит. Более того, прочностные характеристики и, в первую очередь, твердость дерева вырастает на 16-18%, снижается гигроскопичность, повышается грибостойкость окрашенного таким путем древесного материала.

ПРИМЕР 2. В автоклав (по примеру 1) помещают дубовые бруски размером 80 мм × 50 мм × 900 мм влажностью 23% и общей массой 13,0 кг. В реакторный патрон загружают 1,57 кг диаммонийфосфата, аппарат герметизируют и повышают температуру в течение двух часов до 135°С, выдерживая при этой температуре окрашивания образцы дуба 4 часа, после чего поднимают температуру до 155°С, поддерживая ее еще 2 часа.

Максимальное давление в автоклаве достигает 8 атм. По окончании окрашивания автоклав охлаждают до комнатной температуры, давление снижают до атмосферного, автоклав разгерметизируют и извлекают окрашенный материал.

Древесина дуба в результате вышеописанной обработки приобретает темно-коричневую, почти черную окраску с четко выраженным контрастным рисунком годовых колец. Материал хорошо обрабатывается строгальными, режущими и шлифовальными инструментами, сохраняет прочностные характеристики, легко полируется, приобретает влагостойкость, устойчивость к биогенному воздействию микроорганизмов, дереворазрушающих грибков.

ПРИМЕР 3. В автоклав (по примеру 1) помещают сосновые доски размером 50 мм × 12 мм × 210 мм с остаточной влажностью древесины 11%, наполняют реакторный патрон 1,12 кг диаммонийфосфата, аппарат герметизируют, включают нагрев и повышают температуру до 120°C в течение 3 часов. Давление в автоклаве при этом повышают до 2,2 атм. После двухчасовой выдержки окрашиваемой древесины сосны в вышеуказанном режиме поднимают температуру до 130-135°С и давление до 2,5-2,8 атм, выдерживают в этих условиях 4 часа, после чего нагревание прекращают, аппарат охлаждают до комнатной температуры, разгерметизируют и извлекают окрашенные образцы Древесина сосны окрашивается на всю глубину материала в золотисто-желтый цвет с интенсивной темно-коричневой окраской годовых колец, что придает окрашенному материалу выразительный декоративный рисунок.

ПРИМЕР 4. В автоклав (по примеру 1) помещают бруски липы размером 50 мм × 80 мм × 2200 мм с влажностью 21% и общей массой 15,6 кг; загружают в реакторный патрон 1,32 кг диаммонийфосфата и 0,6 кг карбамида; аппарат герметизируют и нагревают в течение 1 часа до температуры 140°С, выдерживают при данной температуре 4 часа. После чего нагревание прекращают, аппарат охлаждают до комнатной температуры, разгерметизируют и извлекают окрашенный материал. Древесина липы приобретает ровную коричневую окраску по всему объему. Окрашенная липовая древесина хорошо склеивается, легко подвергается сквозной пропитке огнебиозащитными составами, поддается всем видам деревообработки. Увеличивается прочность и биостойкость, снижается гигроскопичность материала.