Способ получения уплотненной модифицированной древесины и изделий из нее

 

Использование: изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к модификации древесины. Сущность изобретения: для упрощения операции по обработке древесины и сокращения продолжительности процесса модификации древесину насыщают ацетилирующим реагентом, помещают между обжимающими поверхностями, нагретыми до температуры кипения продуктов реакции, но не более 200^oC, и сдавливают, совмещая таким образом этапы ацетилирования, удаления продуктов реакции и прессования. В первом варианте древесину предварительно прогревают между нагретыми обжимающими поверхностями в течение 0,5 - 2 мин на каждый миллиметр первоначальной толщины, а затем сдавливают до заданной толщины. Во втором варианте одновременно осуществляют прогрев древесины и сдавливание ее нагретыми обжимающими поверхностями со скоростью 0,5 - 5 мм/мин до заданной толщины. Для повышения пластичности древесины ацетилирующий реагент включает до 50 мас.% муравьиной кислоты. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано при получении модифицированной древесины и изделий из нее.

Известен способ изготовления уплотненной древесины, включающий обработку древесины газообразным аммиаком, ацетилирование продуктом конденсации уксусного ангидрида и анилина с последующим горячим прессованием [1] Недостатком этого способа является большая продолжительность процесса. Кроме того, применение для предварительной обработки древесины газообразного аммиака требует использования автоклава и принятия специальных мер по предотвращению попадания взрывоопасного и ядовитого аммиака в атмосферу.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения модифицированной древесины (выбранный за прототип), включающий пропитку древесины аэрозолем ангидрида масляной кислоты под давлением, одновременное ацетилирование и удаление продуктов реакции с последующим прессованием [2] Недостатком этого способа также является многоэтапность и продолжительность процесса и необходимость использования автоклава. Помимо этого прессование ацетилированной этим способом древесины даже мягких пород требует значительного давления.

Основной задачей предлагаемого технического решения является упрощение операций по обработке древесины и сокращение продолжительности процесса модификации.

Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемом способе насыщение древесины ацетилирующим реагентом проводят любым известным способом, например погружением ее в ацетилирующий реагент при нормальных условиях. Процесс ацетилирования, удаления продуктов реакции и прессования совмещают. Это достигается тем, что древесину, насыщенную ацетилирующим реагентом, помещают между обжимающими поверхностями, нагретыми до температуры кипения продуктов реакции, но не более 200^oC, и сдавливают до заданной толщины. Нагрев выше 200^oC нецелесообразен из-за ускорения процессов термодеструкции древесины, а использование температуры ниже температуры кипения продуктов реакции, как показали исследования, замедляет процесс удаления кислоты из древесины. Поскольку температуры кипения органических кислот различны, нижний предел температурного интервала определяется в каждом конкретном случае температурой кипения выделяющейся кислоты. В пределах от температуры кипения продуктов реакции до 200^oC выбор температурных параметров зависит и от других технологических условий. В частности, чем выше температура, тем быстрее и полнее происходит удаление продуктов реакции, но и тем темнее цвет получаемой древесины. Таким образом, кроме вышеупомянутых преимуществ предлагаемый способ дает возможность регулировать интенсивность цвета получаемой после обработки древесины, что расширяет ее декоративные свойства.

В зависимости от возможностей применяемого прессового оборудования и конкретных технологических задач осуществление процесса модификации возможно в двух вариантах.

1. Насыщенную ацетилирующим реагентом древесину выдерживают в контакте с обжимающими поверхностями до полного прогрева, а затем сдавливают до заданной толщины. Поскольку в этом варианте реакция ацетилирования большей частью проходит до прессования, существенным является время прогрева заготовки, а скорость сдавливания древесины определяется мощностью прессового оборудования и степенью сопротивления древесины деформированию. Как показали эксперименты, при времени прогрева, меньшем 0,5 мин на каждый миллиметр первоначальной толщины заготовки, древесина прогревается не полностью, реакция ацетилирования проходит частично и большая часть ацетилирующего реагента бесполезно выдавливается из заготовки при прессовании. Время прогрева более 2 мин/мм не дает каких-либо преимуществ и удлиняет технологический процесс.

2. Процесс деформирования и прогрев заготовки проводят одновременно. При этом используется то обстоятельство, что с ростом температуры предел прочности древесины на сжатие снижается. Еще более этот предел снижается в процессе набухания древесины. Поэтому в первую очередь сжимаются участки древесины, прилегающие к нагретым обжимающим поверхностям. Здесь же наиболее активно идет процесс ацетилирования с выделением кислоты. Выделяющаяся кислота вызывает дальнейшее набухание древесины. По мере прогрева зона реакции смещается в глубину заготовки и соответственно распространяется зона сжатия древесины. В этом варианте существенной оказывается скорость деформирования древесины. Как показали опыты, при скорости сдавливания более 5 мм/мин значительная часть ацетилирующего реагента не успевает прореагировать и бесполезно выдавливается из заготовки. Одновременно возрастает сопротивление древесины прессованию. Скорость сдавливания менее 0,5 мм/мин не дает каких-либо технологических преимуществ, неоправданно увеличивая продолжительность процесса. В зависимости от вида ацетилирующего реагента, породы древесины и степени ее насыщения оптимальная скорость прессования варьируется в пределах от 0,5 до 5 мм/мин.

Первый вариант процесса более подходит для гидравлических прессов, где контроль скорости перемещения обжимающих поверхностей затруднен. Второй вариант является более подходящим для механических прессов, где легко контролировать скорость перемещения, но затруднен контроль давления. Очевидно, что вполне возможна и комбинация этих вариантов, например частичный прогрев с последующим сдавливанием при контролируемой скорости. В любом варианте процесс заканчивается полным прогревом заготовки до температуры выше температуры кипения кислоты и сжатием древесины до заданной толщины. В результате в конечном продукте остается незначительное количество кислоты, не требующее специальных операций по ее удалению.

Известно, что наибольший эффект набухания древесины из всех алифатических кислот дает муравьиная кислота, а с ростом молекулярного веса реагента набухание снижается. Поэтому, особенно в случае использования для ацетилирования ангидридов пропионовой, масляной и более высокомолекулярных кислот, для повышения пластичности древесины и возможности использовать более низкое давление при прессовании, в состав ацетилирующего реагента полезно добавлять низкомолекулярную кислоту, предпочтительно муравьиную. Количество муравьиной кислоты в ацетилирующем реагенте может составлять до 50 мас. Более высокое ее содержание может привести к раздавливанию древесины при прессовании (потере связи между годовыми слоями и сдвигу по границам этих слоев).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показал, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что ацетилирование, удаление продуктов реакции и прессование обрабатываемой древесины совмещают путем сдавливания насыщенной ацетилирующим реагентом древесины обжимающими поверхностями, нагретыми до температуры выше температуры кипения продуктов реакции, но не более 200^oC, в состав ацетилирующего реагента добавляют до 50 мас. муравьиной кислоты. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой области не выявил способов, в которых этапы ацетилирования, удаления продуктов реакции и прессования совмещают. Прогрев древесины посредством нагретых обжимающих поверхностей известен [1] однако в известном способе этот прием применяют только на этапе прессования. Способность органических кислот вызывать набухание древесины и катализировать процесс ацетилирования известна [2] однако в известных способах модифицирования древесины применение муравьиной кислоты не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Пример 1. Заготовку осины размером 70x70x300 мм насыщают смесью масляного ангидрида и муравьиной кислоты в отношении 1 1 до привеса 110% Насыщенный образец помещают между плитами пресса, разогретыми до температуры 200^oC, выдерживают в контакте с плитами 35 мин (по 0,5 мин на каждый мм толщины), затем сжимают давлением 7 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Полученная заготовка имеет плотность 1250 кг/м³, темно-коричневого цвета.

Пример 2. Заготовку осины размером 70x70x300 мм насыщают уксусным ангидридом до привеса 40% Насыщенный образец помещают между плитами пресса, разогретыми до температуры 150^oC, и выдерживают в контакте с плитами 140 мин (по 2 мин на каждый миллиметр толщины), затем сжимают давлением 8 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Получена заготовка плотностью 1180 кг/м³, светло-желтого цвета с четко видимой текстурой.

Пример 3. Заготовку осины размером 70x70x300 мм насыщают уксусным ангидридом с 10% муравьиной кислоты до привеса 60% помещают между плитами пресса, которые разогревают до температуры 180^oC, и сжимают со скоростью 5 мм/мин в течение 10 мин. Давление прессования за это время возросло до 9,4 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Получена заготовка плотностью 1210 кг/м³, коричневого цвета с темно-коричневыми слоями поздней древесины.

Пример 4. Заготовку из осины размером 70x70x300 мм насыщают уксусным ангидридом с 30% муравьиной кислоты до привеса 80% и помещают между плитами пресса, разогретыми до температуры 170^oC, и сжимают со скоростью 0,5 мм/мин в течение 95 мин. Максимальное давление прессования 5,6 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Получена заготовка плотностью 1210 кг/м³, желтого цвета с темно-желтыми слоями поздней древесины.

Пример 5. Заготовку из березы размером 65x85x22 мм смачивают с поверхности уксусным ангидридом с расходом 150 г ангидрида на 1 м² поверхности. Смоченную заготовку помещают в пресс-форму, представляющую собой негативную копию настольной медали с рельефным художественным изображением. Пресс-форму помещают между плитами пресса, разогретыми до температуры 180^oC, прогревают в течение 10 мин и сжимают со скоростью 0,5 мм/мин в течение 24 мин. Конечное давление 9,9 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Получено изделие из модифицированной древесины, точно воспроизводящее рельеф оригинала.

Формула изобретения

1. Способ получения уплотненной модифицированной древесины и изделий из нее, включающий насыщение древесины ацетилирующим реагентом, ацетилирование, удаление продуктов реакции и горячее прессование, отличающийся тем, что ацетилирование, удаление продуктов реакции и прессование совмещают путем сдавливания насыщенной ацетилирующим реагентом древесины обжимающими поверхностями, нагретыми до температуры выше температуры кипения продуктов реакции, но не более 200^oС, до заданной толщины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщенную ацетилирующим реагентом древесину прогревают между нагретыми обжимающими поверхностями в течение 0,5 2,0 мин на каждый 1 мм первоначальной толщины, а затем сдавливают до заданной толщины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщенную ацетилирующим реагентом древесину сдавливают нагретыми обжимающими поверхностями со скоростью 0,5 5,0 мм/мин до заданной толщины.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют ацетилирующий реагент, включающий до 50 мас. муравьиной кислоты.