Способ получения модифицированной древесины и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, а именно к технологии и оборудованию для получения модифицированной древесины, и может быть использовано при производстве подшипникового материала на основе древесины. Заготовку из древесины с расположением волокон перпендикулярно продольной оси по ширине, размеры которой (вдоль волокон) равны или меньше длины волны электромагнитной энергии СВЧ с влажностью 15-17%, укладывают в кассету коробчатого сечения с открытыми с боков вдоль длины кассеты торцами. Кассета ставится в пресс-форму под пресс, где древесина прессуется и фиксируется. Затем кассета вынимается из пресс-формы с прессованной древесиной и устанавливается в камеру с системой обдува горячим воздухом температурой 105-115°С между двумя согласующими рупорами так, чтобы большие основания рупоров сопрягались с открытыми торцевыми стенками кассеты. Включают генератор и на заготовку древесины дополнительно воздействуют импульсным потоком электромагнитной энергии СВЧ, направленным в торец заготовки вдоль волокон древесины, удельной мощностью 0,2-0,3 Вт/см³ и плотностью потока электромагнитной энергии 2,5-3,5 Вт/см². На первом этапе прогревают заготовку до 105-115°С 4-5 импульсами электромагнитной энергии длительностью 55-65 с, с интервалом 115-125 с, а на втором этапе проводят термообработку 30-40 импульсами длительностью 25-35 с, с интервалом 120-180 с. Подача горячего воздуха и удаление пара осуществляется через отверстия в стенках рупоров, прилегающих к кассете, диаметром менее 0,1 длины волны генератора. Термообработку проводят до конечной влажности заготовок древесины 4-6% и полной стабилизации форм и размеров. Изобретение способствует снижению энергозатрат, времени процесса получения модифицированной древесины, повышению ее физико-механических свойств. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к деревообрабатывающей отрасли промышленности, а именно к способам и устройствам для получения модифицированной древесины и может быть использовано в лесном машиностроении.

Известен способ модифицирования древесины, включающий укладку заготовки в кассету, прессование в пресс-форме и термообработку в кассете (SU, авторское свидетельство, 456734, кл. В 27 М 1/02, 1973 г.).

Недостатком данного способа является большая продолжительность процесса модифицирования и, как следствие этого, большие энергозатраты.

Известен способ получения модифицированной древесины, включающий предварительное пропаривание заготовки, укладку в пресс-форму или кассету и установку кассеты в пресс-форму, прессование и термообработку в замкнутом металлическом контуре, т. е. в пресс-форме или кассете (см. П.Н.Хухрянский Прессование древесины. М. , Леспром., 1964, с. 41; Н.И.Винник. Модифицированная древесина. М.Издат. Леспром, 1980, с. З6-57).

В известном способе заготовка древесины перед прессованием предварительно разогревается конвективно-контактным способом до температуры 102-105^oC на периферии и 90^oC в центре заготовки, что снижает энергозатраты при прессовании. Спрессованная и зафиксированная в кассете заготовка подвергается термообработке при температуре 110-130^oC. Недостатком данного способа является большая длительность процесса модифицирования (20-40 часов), высокие энергозатраты, а также снижение физико-механических свойств модифицированной древесины вследствие неравномерного прогрева заготовок, замкнутых в металлическом контуре (кассете), и длительного воздействия высокой температуры при контактном нагреве через металл.

Известно устройство для высокотемпературной сушки древесных заготовок, включающее сушильную камеру туннельного типа с транспортером, перемещающим кассеты с заготовками; секцию камеры нагрева, в которую подается теплоноситель, предварительно нагретый в калориферах; секцию камеры охлаждения и кондиционирования заготовок (выравнивание напряжений), которая размещена на транспортере после сушильной камеры (SU, авторское свидетельство, 152831, кл. F 26 B, 1962 г.).

Недостатком данного устройства является то, что в нем не обеспечивается равномерный прогрев заготовок по всему объему от периферии к центру, что отрицательно влияет на физико-механические свойства получаемой модифицированной древесины и удлиняет длительность термообработки до 6 часов.

Наиболее близким является устройство для сушки древесины твердых пород электромагнитной энергией сверхвысокой частоты (СВЧ), включающее камеру, систему обдува заготовок горячим воздухом, СВЧ - генератор и волновод (см. статью Ю.В.Карпенко, В.Н.Нефедов, С.В.Корнеев "Обоснование режима сушки дубовых брусков в СВЧ-камере "Лес", Деревообрабатывающая промышленность, 1996 г, N1, стр. 14-17). Недостатком данного устройства является невозможность его применения для термообработки спрессованной древесины в металлической пресс-форме вследствие экранирующей роли кассет, а также неравномерного прогрева заготовок по ее поперечному сечению (объем).

Задачей изобретения является снижение энергозатрат на термообработку, повышение производительности процесса получения модифицированной древесины и улучшение ее качества.

Для решения этой задачи в способе получения модифицированной древесины, включающем установку заготовки древесины в кассету коробчатого сечения с открытыми боковыми торцевыми поверхностями, прессованние и конвективную термообработку, для ускорения и улучшения термообработки на открытый торец заготовки вдоль волокон древесины дополнительно воздействуют импульсным потоком электромагнитной энергии СВЧ удельной мощностью 0,2-0,3 Вт/см³ и плотностью потока 2,5-3,5 Вт/см² в два этапа, при этом на первом этапе прогревают заготовку до температуры 105-115^oC воздействием 4-5 импульсами длительностью 55-65 с с интервалом 115-125 с, а на втором этапе проводят термообработку воздействием 30-40 импульсами длительностью 25-35 с с интервалом 120-180 с, при этом размер заготовки древесины по направлению воздействия СВЧ электромагнитной энергии выбирают из соотношения b ≅ λ, где b - ширина заготовки древесины вдоль волокон, м; λ - длина электромагнитной волны, м.

В устройстве для получения модифицированной древесины, включающем генератор электромагнитной энергии СВЧ, волновод и систему обдува горячим воздухом, согласно изобретению волновод состоит из металлической кассеты коробчатого сечения и двух рупоров, имеющих форму усеченных пирамид, большие основания которых сопряжены с торцевыми стенками кассеты, при этом в рупоре, размещенном между генератором и кассетой, установлен рассекатель электромагнитной энергии V-образного сечения, а в стенках рупоров, прилегающих к кассете, выполнены отверстия, диаметр которых выбирают из соотношения d ≅ 0,1λ, где d- диаметр отверстий, м; λ - длина электромагнитной волны, м.

На фиг. 1 показана схема устройства, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, вид сверху.

Устройство содержит генератор электромагнитной энергии СВЧ 1, соединенный с согласующим рупором 2, имеющим форму усеченной пирамиды. Большее основание рупора 2 сопряжено с одной из стенок кассеты коробчатого сечения с открытыми торцами 3. Внутри рупора 2, в непосредственной близости от торца кассеты 3, установлен рассекатель электромагнитной энергии V-образного сечения 4. Другая торцевая стенка кассеты 3 сопряжена с большим основанием рупора 5 в виде усеченной пирамиды с глухим малым основанием. В стенках рупора 2, 5, прилегающих к кассете 3, выполнены отверстия 6.

Способ осуществляется следующим образом.

Заготовку натуральной древесины 7 с размером вдоль волокон (перпендикулярно продольной оси заготовки), равным или меньше длины волны электромагнитной энергии СВЧ 1 и влажностью 13-17% укладывают в кассету коробчатого сечения с открытыми торцами 3. При этом торцы заготовки древесины 7 должны совпадать с открытыми торцами кассеты. Максимальный размер заготовок древесины 7 в кассете 3 определяется глубиной проникновения электромагнитной энергии СВЧ в высушенную древесину. Данный генератор СВЧ излучает электромагнитную энергию частотой 2250 МГц с длиной электромагнитной волны 0,12 м, поэтому максимальный размер заготовок вдоль волокон должен быть не более 0,12 м. Кассета 3 устанавливается в пресс-форму на столе пресса, где древесина прессуется в одноосном направлении и фиксируется в кассете. Затем кассету 3 с прессованной древесиной 7 устанавливают в камеру с системой обдува горячим воздухом (на чертеже не показано) между двумя согласующими рупорами 2, 5 так, чтобы большие основания рупоров 2, 5 сопрягались с открытыми торцевыми стенками кассеты 3. Температура горячего воздуха, подаваемого в камеру, поддерживается равной 105-115^oC. Включают генератор сверхвысокой частоты 1 и на заготовку древесины 7 дополнительно воздействуют импульсным потоком электромагнитной энергии СВЧ, направленным в торец заготовки 7 вдоль волокон древесины, удельной мощностью 0,2-0,3 Вт/см³ и плотностью потока электромагнитной энергии 2,5-3,5 Вт/см². При этом поток электромагнитной энергии СВЧ, излучаемый генератором 1, проходя по рупору 2, распределяется рассекателем поля V-образного сечения 4, что обеспечивает равномерный прогрев по площади торца заготовки древесины 7, находящейся в металлической кассете 3, являющейся частью волновода. Поток электромагнитной энергии, прошедшей через заготовку древесины 7, вторым рупором 5, имеющим форму усеченной пирамиды, сопряженной с другой торцевой стенкой кассеты возвращается на второй торец заготовки 7, обеспечивая равномерность прогрева заготовки по глубине.

На первом этапе прогревают заготовку до температуры 105-115^oС 4-5 импульсами электромагнитной энергии длительностью 55-65 с с интервалом 115-125 с, а на втором этапе проводят термообработку 30-40 импульсами длительностью 25-35 с с интервалом 120-180 с. Подача горячего воздуха и удаление пара осуществляется через отверстие 6 в стенках рупоров 2 и 5, прилегающих к кассете 3. Максимально допустимый размер отверстий в рупорах волновода определяется требованием полного отражения электромагнитной энергии данной частоты от металлической стенки рупора с отверстиями. Это требование выполняется в том случае, если диаметр отверстия не превышает 0,1 λ. Для частоты генератора 2250 МГц диаметр 0,010-0,012 м. Термообработку проводят до конечной влажности заготовок древесины 4-6%. Общая продолжительность процесса получения модифицированной древесины 180-220 минут.

Для определения диапазона оптимальных режимов дополнительного воздействия импульсным потоком электромагнитной энергии СВЧ 2450 МГц подвергали термообработке спрессованные заготовки древесины осины размерами 0,12х0,65х0,26 м с начальной влажностью 13-17%.

Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Интервал между импульсами электромагнитной энергии СВЧ изменялся в пределах 120-180 с. Как видно из таблицы 1, оптимальным временем воздействия электромагнитной энергии сверхвысокой частоты на прессованную древесину при термообработке можно принять 25-35 с при плотности потока 2-5 Вт/см² и удельной проводимой мощности 0,2-0,3 Вт/см³. Увеличение длительности импульсов электромагнитной энергии приводит к перегреву внутренних слоев древесины, а уменьшение - к недосушке заготовок.

Пример: Заготовку из натуральной древесины осины размером 0,12х0,13х0,26 м (первый размер 0,12 м вдоль волокон) и влажностью 15% укладывали в кассету коробчатого сечения с открытыми торцами, так чтобы торцы древесины совпали с открытыми торцами кассеты. Сверку на заготовку древесины клали прочную стальную пластину и кассету ставили на испытательную машину ЦДМУ-30 т. Затем включали машину и прессовали заготовку в радиальном направлении до размеров 0,12х0,065х0,26 м. По окончании прессования стальная пластина фиксировалась в кассете двумя стержнями. После этого кассету с прессованной древесиной устанавливали в камеру с системой обдува горячим воздухом между двумя согласующими рупорами так, чтобы большие основания рупоров сопрягались с открытыми торцевыми станками кассеты. Для защиты от паров воды волновод, состоящий из двух рупоров и кассеты с древесиной между ними, отделен от СВЧ-генератора "Тайфун-А" с полной мощностью 600 Вт и частотой 2450 МГц полиэтиленовой пленкой. Для обогрева кассеты и удаления избытка влаги через отверстия в рупорах осуществляется обдув горячим воздухом температурой 110^oC. Включали СВЧ-генератор "Тайфун-А" и производили прогрев спрессованной заготовки древесины 4 импульсами по 60 с с промежутками по 120 с. При поглощаемой мощности 520 Вт востребованная мощность фактически составила от нее 1/3. При этом удельная мощность электромагнитной энергии СВЧ составляла 0,25 Вт/см³, а плотность потока 3 Вт/см². Затем производили термообработку 35 импульсами по 30 с с промежутками 120 с. В процессе термообработки поддерживалась температура в центре заготовки 120^oC. Конечная влажность полученной модифицированной древесины составила 4% в центре и 6% на периферии заготовки, суммарная продолжительность термообработки составила 180 минут, расход энергии 0,8 кВт.

Физико-механические показатели свойств модифицированной древесины осины, полученной известным и предлагаемым способами и затраты времени на термообработку приведены в таблице 2.

Плотность прессования заготовок осины 900-1000 кг/м³, влажность 4-6%. Анализ таблицы 2 показывает существенное повышение прочностных показателей и значительное сокращение продолжительности термообработки.

Использование предлагаемого способа и устройства для получения модифицированной древесины позволяет в 2,5 раза снизить продолжительность технологического процесса модифицирования и при существенном повышении качества получаемой модифицированной древесины и снизить затраты в 1, 2 раза.

Формула изобретения

1. Способ получения модифицированной древесины, включающий установку заготовки из натуральной древесины в кассету коробчатого сечения с открытыми торцами, прессование поперек волокон и конвективную термообработку, отличающийся тем, что в процессе термообработки на заготовку древесины дополнительно воздействуют импульсным потоком электромагнитной энергии сверхвысокой частоты (СВЧ), направленным в торец заготовки вдоль волокон древесины, удельной мощностью 0,2 - 0,3 Вт/см³ и плотностью потока электромагнитной энергии 2,5 - 3,5 Вт/см² в два этапа, при этом на первом этапе прогревают заготовку до 105 - 115^oC четырьмя - пятью импульсами длительностью 55 - 65 с с интервалом 115 - 125 с, а на втором этапе проводят термообработку 30 - 40 импульсами длительностью 25 - 35 с с интервалом 120 - 180 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер заготовки древесины выбирают из соотношения b ≅ λ, где b - ширина заготовки древесины вдоль волокон, в направлении действия СВЧ электромагнитной энергии м; λ - длина электромагнитной волны, м.

3. Устройство для получения модифицированной древесины, включающее генератор электромагнитной энергии СВЧ, волновод и систему обдува горячим воздухом, отличающееся тем, что волновод состоит из металлической кассеты коробчатого сечения и двух рупоров, имеющих форму усеченных пирамид, большие основания которых сопряжены с торцевыми стенками кассеты, при этом в рупоре, размещенном между генератором и кассетой, установлен рассекатель электромагнитной энергии V-образного сечения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в стенках рупоров, прилегающих к кассете, выполнены отверстия, диаметр которых выбирают из соотношения d ≅ 0,1λ, где d - диаметр отверстий, м; λ - длина электромагнитной волны, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3