способ глубокой пропитки древесины

Формула изобретения

1. Способ глубокой пропитки древесины, характеризующийся тем, что осуществляют предварительное вакуумирование при давлении 0,05-0,08 МПа и нагрев пропиточного раствора и древесины в одном вакуумном аппарате, погружая древесину в пропиточный раствор, или в отдельных вакуумных аппаратах, переводя затем пропиточный раствор в вакуумный аппарат с древесиной с сохранением вакуума, выдерживают древесину, погруженную в пропиточный раствор, в вакууме, после чего увеличивают давление в вакуумном аппарате до атмосферного или создают избыточное давление, удаляют пропиточный раствор, после выдерживания древесины осуществляют сушку древесины, осуществляют фиксацию компонентов пропиточного раствора в древесине фиксирующим составом, образующим при взаимодействии с пропиточным раствором термически стабильные и нерастворимые в воде вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку фиксирующим составом производят методом «горячехолодных ванн».

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку древесины осуществляют до остаточной влажности 20-25%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к разработке защитных армирующих составов и технологии глубокой пропитки древесины преимущественно лиственных пород для улучшения ее физико-химических и потребительских характеристик.

Достоинства древесины как строительного и конструкционного материала хорошо известны. Вместе с тем древесина гигроскопична, легко подвержена разрушительным воздействиям атмосферы, обладает низкой биостойкостью и высокой пожароопасностью.

Их известных способов глубокой пропитки древесины наиболее результативны и важны автоклавно-диффузионные способы (И.Г.Романенков, Ф.А.Левитес. Огнезащита строительных конструкций. М., Стройиздат, 1991, с.129-131). При реализации типичного варианта автоклавно-диффузионной пропитки удается достигать глубины пропитки водных растворов по здоровой заболони древесины до 5 мм. Более глубокому проникновению пропиточного состава в древесину препятствует растворенные в нем газы и, в первую очередь, углекислый газ, растворимость которого в одном объеме воды при 20°С составляет 0,88 объема. В концентрированных пропиточных растворах могут находиться и другие растворенные газы. Попадая из рабочей емкости в вакуумированный автоклав с древесиной, пропиточный раствор тотчас же «вскипает» от бурно выделяющихся из него газов. На границе раздела фаз, между пропиточной жидкостью и поверхностью провакуумированного древесного материала, образуется «газовая подушка», препятствующая или резко снижающая способность проникновения жидкости в поры древесины. Часть раствора, вошедшая в клетки и полости лесоматериала, продолжает выделять в них остаточные количества находящегося в нем газа, поскольку древесина предварительно была вакуумирована. Газовоздушные пробки, образующиеся при этом в клетках и полостях древесины, еще сильнее тормозят процесс пропитки. Операции приходится повторять множество раз, что увеличивает не только время и энергозатраты на пропитку древесины, но и приводит к снижению производительности, а в случае использования в пропиточных составах термически или гидролитически неустойчивых соединений составы могут изменяться от одного цикла вакуумной пропитки к другому.

В патенте RU 2011511 реализован принцип создания градиентного давления между пропиточной жидкостью и древесиной. Процесс пропитки осуществляется в герметично закрытой пропиточной камере, заполненной материалом и пропиточной жидкостью и соединенной с емкостью, в которой создается глубокий вакуум. В момент быстрого (импульсного) соединения вакуумной камеры и пропиточной емкости с помощью специального устройства в пропиточной камере происходит скачкообразное понижение давления. Как следует из данных таблицы, приведенной в указанном патенте, в результате реализации предложенной технологии поглощение защитного и/или окрашивающего раствора (в % к массе древесины) колеблется от 4,36% до 63,8%, в среднем 30-31%), что совершенно недостаточно для придания древесине необходимого уровня огнезащиты, биологической стойкости, механической прочности и других характеристик. Как известно (И.Г.Романенков, Ф.А.Левитес. Огнезащита строительных конструкций. Москва, Стройиздат, 1991 г., с.130-131), для перевода древесины в 1-ю группу огнезащитной эффективности (ГОСТ 13363, НПБ-251) в нее необходимо ввести не менее 90-120 кг антипирена на 1 м³ материала, что при максимально возможных концентрациях наиболее употребительных антипиренов порядка 20-22% должно составить 500-600 кг пропиточного раствора на 1 м³ древесины, т.е. порядка 100-110%.

Как показано в примерах практического применения предлагаемого способа в полупромышленном варианте, уровни поглощения пропиточного раствора достигают 120-150% от массы обрабатываемой древесины, что намного выше средних нормативов, обеспечивающих максимальную огнезащиту.

В патенте FR 2658445, выбранном в качестве прототипа, описывающем способ и технологию обработки древесины или других пористых материалов с целью стабилизации их геометрических параметров, снижения пористости и гигроскопичности, также реализован принцип создания разности давлений между обрабатываемым материалом и пропиточной жидкостью, хорошо известный и применяемый в практике, например, антисептирования и консервирования древесины. Химическая природа пропиточных составов и их поведение в условиях создаваемого в аппарате вакуума (мономеры диаллилфталата, стирола, инициатора реакции полимеризации) не требуют вакуумной обработки с целью их дегазации, поскольку изначально не содержат в себе растворенных газов, мешающих пропитке. В то же время обязательная стадия прогревания древесины и пропиточной жидкости до начала пропитки, необходимая в предлагаемом способе, противопоказана в технологии пропитки древесины мономерами диаллилфталата, стирола, инициаторов их полимеризации, используемых органических растворителей, поскольку повышение температуры ускоряет процесс полимеризации.

Технической задачей изобретения является повышение качества и долговечности пропитки древесины, увеличение глубины и равномерности фиксации компонентов пропиточных растворов.

Технический результат достигается в способе глубокой пропитки древесины, включающем предварительное вакуумирование и нагрев пропиточных растворов, предварительное вакуумирование и нагрев древесины, пропитку древесины, обработку фиксирующими составами. При этом предварительное вакуумирование и нагрев пропиточных растворов и древесины осуществляются в одном вакуумном аппарате, погружая древесину в пропиточный раствор, или в отдельных вакуумных аппаратах, переводя затем пропиточный раствор в вакуумный аппарат с древесиной с сохранением вакуума. Предварительное вакуумирование осуществляют при давлении 0,05-0,08 МПа. Выдерживают древесину, погруженную в пропиточный раствор, в вакууме, после чего увеличивают давление в вакуумном аппарате до атмосферного или создают избыточное давление. По завершении пропитки удаляют пропиточный раствор, осуществляют сушку древесины, производят обработку древесины фиксирующими составами методом «горячехолодных ванн». В качестве фиксирующих используют составы, образующие при взаимодействии с пропиточными растворами термически стабильные и нерастворимые в воде вещества. Сушку древесины осуществляют до остаточной влажности 20-25% после выдерживания древесины.

Способ осуществляют следующим образом.

Стадия предварительного вакуумирования

Пропиточный раствор вакуумируют в отдельном вакуумном аппарате до установления постоянного, не изменяющегося во времени давления порядка 0,05-0,08 МПа, раствор нагревают и, сохраняя вакуум, переводят в вакуумный аппарат с древесиной, аналогичным образом предварительно провакуумированной и прогретой. Предварительное вакуумирование пропиточного раствора и древесины может производиться в одном вакуумном аппарате, при этом древесина погружается в нагретый пропиточный раствор, после чего создают вакуум.

В результате происходит дегазация пропиточных растворов и древесины, что исключает возможность образования «газовых пробок» в древесине в последующем процессе ее вакуумной пропитки и обеспечивает полную (сквозную) пропитку в одном цикле.

Стадия пропитки

После заливки провакуумированной древесины расчетным количеством дегазированного пропиточного раствора подачу его прекращают, пропиточный аппарат отключают от вакуумного аппарата с древесиной. Поддерживают вакуум в течение 3-4 часов. Затем вакуум сбрасывают до атмосферного давления или создают над пропиточной жидкостью избыточное (до 2 атмосфер) давление и проводят пропитку древесины до прекращения понижения уровня раствора, т.е. до прекращения его поглощения древесиной. До окончания процесса пропитки лесоматериал все время должен находиться под слоем пропиточной жидкости. По окончании пропитки пропиточный раствор удаляют.

Стадия выдерживания и сушки

За время пропитки пропиточный раствор не успевает проникнуть и равномерно распределиться во всех анатомических структурах обработанного материала. Поэтому пропитанную древесину выдерживают в течение суток при комнатной температуре, после чего проводят его камерную сушку.

Как известно, сырая древесины березы (доски, брус) практически не поддается «принудительной» сушке, подвергаясь растрескиванию, короблению, продольным поперечным деформациям. Даже при соблюдении самых мягких режимов ее высушивания в сушильных камерах процент брака составляет 50-60%.

Обработанная предлагаемым способам древесина березы, ольхи, тополя и других лиственных пород легко и без всяких дефектов подвергается сушке в сушилках любого типа, даже в самых жестких температурных режимах. На самых ранних стадиях сушки вследствие испарения части воды из обработанной древесины в клетках, полостях, проводящих пучках и прочих структурно-анатомических ее элементах концентрация пропиточного раствора достигает предела его насыщения и начинается процесс микрокристаллизации введенных в древесину веществ. Происходит армирование, своеобразное «цементирование» клеточных стенок, целлюлозных волокон древесины микрокристаллами компонентов пропиточного состава. Материал упрочняется, теряет способность к растрескиванию, короблению, продольным и поперечным деформациям. По существу, уже на промежуточных стадиях сушки древесина становится качественно новым материалом. Дальнейшую сушку (по требуемой по технологическому режиму 25-30% влажности) становится возможным вести в жестких режимах, сокращая время и сберегая энергоресурсы в 3-4 раза.

После конвективной сушки до уровня 25-30% влажности древесину подвергают последней технологической операции - фиксированию введенных в нее компонентов.

Стадия фиксации

Древесину загружают в пропиточные ванны, заливают горячим раствором фиксирующего состава и проводят пропитку в режиме метода «горячехолодных ванн». По количеству поглощенного раствора определяют завершение процесса фиксации.

Сущность фиксирования сводится к погружению извлекаемого из конвективной сушильной камеры горячего (t˜70°С) лесоматериала, сразу же переносимого в холодную ванну с фиксирующим раствором.

Типовой состав фиксирующего раствора «Ф-1».

1. Бишофит	8,5-9,7% (мас.)
2. Сульфат алюминия	13,5-16,0
3. Щавелевая кислота	1,04-1,6
4. Вода	остальное

Вследствие резкого охлаждения горячей древесины при погружении ее в холодную ванну с раствором «Ф-1» в полостях древесины происходит разрежение, т.е. создается вакуум. Глубина его не столь значительна, как при вакуумной пропитке, однако достаточна для поглощения 60-80 кг фиксирующего раствора на 1 м³ древесины. Входя в химическое взаимодействие с ранее введенными веществами (аммофос, фосфат мочевины), компоненты фиксирующего раствора превращаются в практически нерастворимые, химически стойкие и высокоплавкие соли: фосфаты алюминия, магний аммоний фосфат, оксалаты магния. Все эти вещества также являются эффективными антипиренами, антисептиками и «цементирующими» материалами. Образовавшись в древесине, эти нерастворимые соединения создают непреодолимый барьер как на пути изначально введенных компонентов наружу, так и пути атмосферной влаги, осадков, прочих разрушительных компонентов атмосферы внутрь дерева, т.е. выполняют роль защитного экрана, одновременно цементируя, упрочняя древесину, защищая ее от огня и биоповреждений. Древесину подвергают дальше окончательной сушке.

При выборе химических веществ для пропиточных и фиксирующих растворов, пригодных для вакуумной пропитки древесины, должны выполняться следующие условия и требования: химическая совместимость компонентов и стабильность растворов в условиях их хранения и эксплуатации; экологическая чистота и безопасность как составляющих компонентов, так и составов в готовом виде; высокие функциональные свойства составов; доступность и относительно низкая стоимость компонентов; высокая растворимость основных компонентов составов и их гидролитическая устойчивость; достаточно высокая термическая стойкость растворов, отсутствие летучих и газообразных продуктов при работе с растворами и в процессе эксплуатации обработанной древесины; сохранение цвета, текстуры, эстетических свойств обработанных лесоматериалов; негигроскопичность; отсутствие посторонних запахов; совместимость с клеевыми составами и лакокрасочными материалами.

С учетом вышеперечисленных требований может быть предложена, например, следующая композиция пропиточных и фиксирующих составов:

- пропиточный состав: 1 - аммофос, 2 - фосфат мочевины, 3 - антисептики, 4 - пеногасители (ПАВ), 5 - вода;

- фиксирующий состав: 1 - бишофит, 2 - сульфат алюминия, 3 - щавелевая кислота, 4 - вода. В зависимости от целевого назначения модифицируемой древесины (с целевым назначением связаны характеристики древесины: горючесть, твердость, возможность деревообработки, совместимость с клеями и лакокрасочными материалами, гигроскопичность, устойчивость к ультрафиолету, влагостойкость, биоразрушению и т.д.) могут быть подобраны и другие рецептуры как пропиточных, так и фиксирующих составов (см. Примеры). Изменяя химический состав пропиточных и фиксирующих растворов, их концентрации, режимы и время обработки и другие параметры процесса, возможно получение древесины с заранее заданными свойствами.

В результате обработки фиксирующими растворами исключается возможность вымывания из древесины функциональных компонентов пропиточных растворов, достигается армирование и упрочнение клеточных стенок и других элементов анатомического строения древесины, резко возрастают ее прочностные параметры, снижается гигроскопичность, повышается биостойкость и т.д. Более четверти общей массы полученной древесины приходится на минеральную составляющую. По существу, таким путем на основе древесины создается «минерализованная древесина» - новый конструкционный и строительный материал.

Наиболее полная и равномерная пропитка в предлагаемой технологии достигается при обработке лиственных пород (береза, липа, дуб, осина, тополь, ольха). Смоляные зоны, занимающие значительную часть массы древесины хвойных пород, затрудняют проникновение пропиточных растворов в древесину.

Предлагаемый способ глубокой (сквозной) пропитки древесины обеспечивает невоспламеняемость, огнезащитную эффективность древесины на уровне I группы (по ГОСТ 16363 (НПБ-251)), биологическую устойчивость к поражающему действию паразитических грибов и насекомых, атмосферостойкость, негигроскопичность, высокие прочностные характеристики. Обработанная по нашему способу и технологии древесина мягких и малоценных пород (ольха, тополь и др.) превращается в долговечный высококачественный строительный и конструкционный материал, пригодный для изготовления негорючих дверей, рам, лестниц, арочных перекрытий, паркетной плитки и т.д.

Пример 1. В автоклав помещают расчетное количество лесоматериалов с относительной влажностью 18-25%, аппарат герметизируют и вакуумируют до остаточного давления в 0,08-0,05 МПа. Одновременно с этим проводят вакуумирование и нагревание пропиточного раствора до полной его дегазации в аппарате, сообщающемся с пропиточным автоклавом с вакуумируемой древесиной. Процесс считают законченным, когда достигнутый вакуум сохраняется неизменным в течение 20-30 минут.

После этого горячий пропиточный раствор переводят, сохраняя вакуум в системе, в автоклав с древесиной в таком количестве, чтобы пропиточный материал все время находился под слоем пропиточной жидкости. Поддерживая температуру раствора в пределах 60-70°С и вакуум в течение 3-5 часов, прогревают пиломатериал, после чего вакуум в пропиточном автоклаве сбрасывают, повышают давление до 1,6-2,0 атм и проводят процесс пропитки до прекращения поглощения древесиной пропиточного раствора, на что затрачивается от 3 до 6 часов.

По окончании указанной стадии пропитки давление в автоклаве приводят к атмосферному, избыток пропиточного раствора откачивают в резервную емкость, древесину извлекают и выдерживают для выравнивания концентрации пропиточного раствора во всей массе древесины при комнатной температуре в течение суток. Затем проводят камерную сушку пропитанной древесины.

В результате камерной сушки древесины, пропитанной до 23-% влажности, затем обработки ее фиксирующим раствором методом «горячехолодных» ванн и окончательной сушки до 8% влажности получили «минерализованную» древесину березы с плотностью 0,78 г/см³ (780 кг/м ³).

В приведенном примере зафиксированы следующие параметры:
1. Относительная влажность древесины	24,0%;
2 Температура пропиточного раствора перед заливкой:
начальная	16°С
конечная	70°С
3. Время вакуумирования (дегазации)	2 ч 20 мин
4. Начальный вакуум (над холодным раствором)	0,06 МПа
5. Вакуум над нагретым раствором	0,012 МПа
6. Вакуум над провакуумированной древесиной	0,073 МПа
7. Время вакуумирования древесины	1 ч 30 мин
8. Время прогрева древесины под залитым горячим пропиточным раствором	5 ч
9. Время пропитки древесины после сброса вакуума и повышения давления до 2 атм
	10 ч

Сохраняя внешний вид, текстуру, более ярко выраженный рисунок годовых колец, модифицированная древесина березы практически не горюча, обладает высокой твердостью, но поддается любым видам деревообработки, хорошо шлифуется и полируется, совместима с клеями и лакокрасочными материалами, не гигроскопична, устойчива к действию ультрафиолета, атмосферной влаги, биоразрушению.

Пример 2. В вакуумный аппарат загружают 1 м³ (645 кг) березового бруса размером 60×80×3400 мм и изначальной влажностью древесины 27%. Штабель лесоматериала фиксируют зажимными приспособлениями, аппарат герметизируют и заливают ˜2 м³ пропиточного раствора, приготовленного по рецептуре №1-«П».

Рецептура «П-1».
1. Аммофос	15,0-18% (мас.)
2. Фосфат мочевины	5,3-8,5
3. Пеногасители	0,3-0,5
4. Вода	остальное

Пропиточный раствор готовят путем последовательного растворения в воде вышеперечисленных компонентов веществ и добавлением к нему недостающего количества воды для достижения концентрации пропиточного раствора в пределах 23-26% (мас.), плотность растворов ˜1,14-1,17 г/см ³.

После заливки пропиточного раствора в автоклав с древесиной включают нагревательное устройство и доводят температуру раствора до 75-80°С. Древесину прогревают в горячем пропиточном растворе в течение 3-5 часов, в результате чего структурно-анатомические элементы дерева размягчаются, включается вакуумный насос и начинается процесс синхронной дегазации древесины и пропиточного раствора. Постепенно увеличивая вакуум, корректируют интенсивность кипения пропиточного раствора и, охлаждая его, доводят давление в пропиточной камере до уровня 0,05-0,08 МПа. Процесс вакуумирования длится 3-4 часа. О завершении дегазации судят по прекращению падения вакуума в системе после перекрытия вакуумных кранов и отключения вакуумного насоса. С этого момента начинают вести процесс пропитки древесины, для чего вакуум сбрасывают, поднимают давление в аппарате до 1,2-1,3 МПа и ведут пропитку древесины до прекращения снижения уровня пропиточного раствора (контроль - по водомерному устройству). Процесс завершается за 4-5 часов. После завершения процесса пропитки древесины до прекращения снижения уровня пропиточного раствора избыток откачивают в резервную емкость, дают стечь остатку пропиточного раствора, выделившемуся из обработанной древесины, аппарат разгружают, лесоматериал переносят в конвективную сушильную камеру. В результате вышеописанных операций по разности начального и конечного объемов пропиточного раствора находят количество раствора, поглощенного древесиной.

Результат по вышеописанному примеру:
Изначальная масса древесины:	645 кг
Масса древесины после пропитки	1370 кг
Масса впитавшегося раствора	725 кг
Концентрация раствора с % масс.	23%
Масса сухих компонентов антипиренов и антисептиков, введенных в древесину
	166,7 кг/м3.

При выполнении всех вышеописанных операций с тем же лесоматериалом, пропиточным раствором, температурными режимами и всеми другими условиями, за исключением стадии предварительного прогрева древесины горячим пропиточным раствором, удается ввести в лесоматериал 43-47 кг/м³ «сухих» компонентов антипиренов-антисептиков (норматив 90-120 кг/м ³), что совершенно недостаточно для придания древесине негорючести, огне- и биозащиты, прочностных характеристик.

Пример 3. Готовят пропиточный раствор следующего состава:

Рецептура «П-2».
1. Фосфат аммония (однозамещенный)	130 кг
2. Оксиэтилидендифосфоновая кислота	30 кг
3. Тринатрийфосфат	40 кг
4. Карбамид (мочевина)	40 кг
5. Тетрафторборат аммония	2 кг
6. Пеногасители («пента-91»)	0,1 кг
7. Вода	758 л.

Последующие операции аналогичны описанным в примере №2, с той лишь разницей, что процесс вакуумирования и нагревания пропиточного раствора и вакуумирования древесины ведут в различных аппаратах. В первом аппарате производят нагревание и вакуумную дегазацию пропиточного раствора, повышая вакуум до остаточного давления в автоклаве в пределах 0,05-0,08 МПа.

Во второй автоклав загружают 220 кг (˜0,3 м ³) березовых досок с относительной влажность 31% и типоразмерами сортамента 40×280×3300 мм, фиксируют в заданном положении и вакуумируют до остаточного давления 0,048 МПа, после чего, не разгерметезируя оба автоклава, перекачивают горячий дегазированный пропиточный раствор из первого автоклава во второй, с древесиной. Температуру пропиточного раствора поддерживают на уровне 60-65°С в течение 3 часов и после прогрева древесины, сохраняя заданный вакуум, выдерживают еще 1 час. Затем вакуум сбрасывают, создают в автоклаве избыточное давление (˜1,3 МПа) и проводят пропитку древесины до задаваемого уровня поглощения пропиточного раствора, выполняя все технологические операции, описанные в примере №2.

Зафиксированы следующие параметры:
1. Исходный объем и масса древесины	0,3 м3 (220 кг)
2. Изначальная влажность древесины	31%
3. Геометрические параметры материала	40×280×3300 мм
4. Изначальный объем введенного в автоклав раствора	600 л
5. Масса и плотность раствора	m=688 кг, р=1,147
6. Температура дегазированного раствора	68°С
7. Время дегазации (вакуумирования)	1 ч 20 мин
8. Вакуум в аппарате с древесиной после	0,12 МПа
заливки пропиточного раствора
9. Вакуум перед началом пропитки	0,073 МПа
10. Время прогрева древесины	4 часа
11. Время процесса пропитки древесины	5,5 часа
12. Избыточное давление в момент пропитки	0,3 МПа
13. Количество впитавшегося в древесину раствора	167,4 кг
14. Количество введенных в древесины веществ	40,5 кг (135 кг/м)
15. Плотность высушенной после пропитки древесины	0,74 (740 кг/м).

Все последующие операции по сушке пропитанной древесины, обработке фиксирующим раствором, окончательной сушке аналогичны ранее описанному в примере №2.

Состав «Ф-2».
1. Кальций хлористый	10,5-13,0% (мас.)
2. Магний хлористый	3,5-5,4
3. Аммоний хлористый	3,0-6,2
4. Вода	остальное (до 100%)

Получена древесина с плотностью 762 кг/м³ и характеристиками по таким параметрам, как огнестойкость, горючесть, бактерицидность, твердость (по Шору), атмосферостойкость, гигроскопичность аналогичными древесине, обработанной по примеру 2. Древесина сохранила свой внешний вид и естественный оттенок свежеспиленного дерева, обусловленный присутствием в ней большого количества микрокристаллического фосфата кальция.