СПОСОБ ГЛУБОКОЙ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD OF DEEP IMPREGNATION OF WOOD

Изобретение относится к технологии глубокого насыщения окрашивающими, либо защитными водными растворами, в том числе группы ССА древесины с целью улучшения ее физико-химических и потребительских характеристик и может быть использовано в деревообрабатывающей промышленности.
Известен способ пропитки древесины, который включает пропитку древесины под давлением консервантом, содержащим растительные масла. Перед началом этапа применения давления нагревают древесину. При этом температура части ее внутренних участков составляет, по меньшей мере, 50°С. После пропитки под давлением в окружающем древесину пропиточном резервуаре (1) создают вакуум с одновременным нагревом поверхностных слоев древесины до температуры выше точки кипения воды. Данные условия поддерживают в окружающем древесину пространстве, по меньшей мере, 75 минут для удаления консерванта из поверхностных слоев древесины. Способ позволяет пропитывать консервантом даже свежесрубленное дерево. При этом консервант не просачивается на поверхность древесины после пропитки даже без добавления в консервант средств, вызывающих полимеризацию или осушителей. Консервант не просачивается на поверхность и во время использования древесины, даже когда древесина пропитана большим количеством консерванта (патент РФ на изобретение №2414346, опубл. 20.03.2011).
Также известен способ обработки древесины, в котором перед пропиткой древесину вакуумируют в течение 5-10 мин при 560-650 мм рт.ст., затем в рабочий объем подают пары антисептика до давления 0,5-1,5 атм, после чего рабочий объем заполняют антисептиком с температурой 50-65°С, повышая давление до 2,5-8 атм, которое выдерживают в течение 25-40 мин, или в два этапа по 10-20 мин с промежуточным сливом антисептика и созданием вакуума в автоклаве глубиной 560-650 мм рт.ст. (патент РФ на изобретение №2026777, опубл. 20.01.1995).
В патенте РФ на изобретение РФ №2011511, выбранном в качестве прототипа, реализован принцип воздействия импульсным градиентом давления в автоклавной установке. Процесс пропитки осуществляется в герметично закрытой пропиточной камере, заполненной материалом и защитным раствором и соединенной с ресивером, в котором предварительно создается глубокий вакуум. В момент быстрого соединения с помощью специального устройства вакуумного ресивера и пропиточного автоклава в последнем происходит скачкообразное понижение давления. После выдержки под вакуумом при помощи жидкостного насоса создается избыточное давление раствора, под которым выдерживают пропитываемый материал в течение некоторого времени. Затем при помощи гидронасоса создают избыточное давление среды, при котором выдерживают пропитываемый материал в течение некоторого времени. Далее отключают жидкостный насос, раствор сливают из автоклава, древесину выгружают.
Недостатком данного способа является высокая продолжительность процесса пропитки древесины, которая может составлять до 8 часов.
Технической задачей изобретения является существенное снижение продолжительности процесса пропитки древесины при обязательном обеспечении высокого качества за счет применения приемов интенсификации процессов переноса водных растворов при импрегнировании сухих древесных материалов.
Техническая задача достигается тем, что способ глубокой пропитки древесины включает загрузку материала в камеру с последующей ее герметизацией, заполнение камеры пропиточной жидкостью, скачкообразное создание разрежения до глубокого вакуума, выдержку материала, подачу пропиточной жидкости, снижение давления в камере до атмосферного, создание повышенного давления пропиточного раствора и последующую выдержку, откачку жидкости и извлечение материала, отличающийся тем, что проводят два цикла вакуумирования, при этом после скачкообразного создания вакуума в камере проводят выдержку материала не более 20 минут, затем проводят 3-4 цикла воздействия кратковременным избыточным давлением.
Сравнение заявляемого способа с прототипом показывает, что он отличается следующими признаками:
- проводится два цикла вакуумирования;
- после скачкообразного создания вакуума в камере проводят выдержку материала не более 20 минут;
- затем проводят 3-4 цикла воздействия кратковременным избыточным давлением.
Поэтому можно предположить, что заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».
С целью глубокого насыщения защитным раствором древесных материалов, содержащих в различных соотношениях как заболонную, так и более трудно пропитываемую ядровую древесину, способами, основанными на создании градиента давления, целесообразно применять ряд приемов: импульсное создание градиента давления; чередование нагрузки с последующей ее стабилизацией; применение переменных нагрузок; применение гидродавления небольшой величины.
Импульсно создаваемый вакуум способствует интенсификации процесса извлечения воздуха из полостей клеток. Возникающий пневмоудар создает условия для достаточно интенсивного извлечения воздуха из клеток древесины, увеличивая их пропускную способность. С целью проверки данной гипотезы был проведен ряд экспериментов, где использовались различные по строению породы древесины - это хвойная спелодревесная трудно пропитываемая древесина ели, имеющая мелкие окаймленные поры с щелевыми отверстиями, посредством которых происходит транспорт растворов из клетки в клетку, и лиственная заболонная рассеянно-сосудистая умеренно пропитываемая древесина клена, окаймленные поры которой не имеют торусов. Снижение проницаемости последних происходит из-за образования тилл, возникающих в результате деятельности грибов и вирусных инфекций [1]. Оптимальная длительность стадии вакуумирования как а) еловой; б) кленовой древесиной, так и при быстром создании вакуума (Ряд 1) и при постепенном создании вакуума (Ряд 2) (Фиг.1).
Учитывая, что полное удаление воздуха из полостей клеток древесины практически невозможно, а выделение воздуха может продолжаться часами, то продолжительность выдержки под вакуумом можно ограничить десятками минут, когда интенсивная стадия процесса закончится.
Наибольшее поглощение антисептика обеспечивают два цикла вакуумирования, что более чем в 1,5 раза превышает величину поглощения, полученную при разовой выдержке в разреженной среде (Фиг.2).
С целью активного продвижения фронта пропиточной жидкости в более глубокие слои древесины целесообразно создать избыточное давление раствора внутри автоклава. За счет транспорта раствора вглубь древесины происходит снижение гидродавления, интенсивность процесса падает. При повторном воздействии избыточным давлением пропиточный раствор, являясь несжимаемой жидкостью, продвигается в следующие незаполненные клетки и т.д. Скорость поглощения при каждом последующем воздействии жидкостным избыточным давлением будет сохраняться примерно на одном уровне, как показали исследования В.Н.Ермолина (Фиг.3). Таким образом, целесообразно воздействовать на древесину повышенным гидродавлением циклично и импульсно, чтобы не спровоцировать снижение проницаемости пор. По этой же причине абсолютная величина давления раствора должна быть невысокой. Так увеличение давления с 1 до 5 МПа существенно не повышает качества пропитки даже ядровой древесины [2].
С увеличением числа циклов величина поглощения антисептика возрастает (Фиг.4). Возможное количество циклов гидродавления в режиме пропитки должно быть ограничено необходимостью исключения перенасыщения периферийных слоев древесины пропиточным раствором и, как следствие, его высаливания на поверхности, что позволит получить относительно сухую поверхность заготовок без проведения стадии осушающего вакуумирования. В результате патентно-информационных исследований заявляемая совокупность признаков не выявлена и на основании вышеизложенного можно считать, что заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Способ осуществлялся на установке, технические характеристики которой приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные технические характеристики установки
Наименование характеристики
Значение
Габаритные размеры автоклава:
длина, мм
6700
диаметр, мм
800
Емкость автоклава в условном пиломатериале, м<sup>3</sup>
3
Объем ресивера, м<sup>3</sup>
3
Мощность двигателя вакуумного насоса ВВН-3, кВт
7,5
Максимальная величина создаваемого разрежения, МПа
0,09
Время достижения вакуума 0,09 МПа:
в ресивере, мин
6
в автоклаве, сек
5…10
Мощность гидронасоса, кВт
0,5
Величина создаваемого гидродавления, МПа
0,1…1,5
Способ осуществляют следующим образом. В автоклав загружают древесину, заполняют автоклав пропиточным раствором, герметизируют, затем с помощью вакуумного насоса в ресивере пропиточной установки создается разрежение 0,08 МПа.
Стадия пропитки: с помощью вакуумного затвора, расположенного между вакуумным ресивером и заполненным заготовками и раствором автоклавом, в последнем импульсно создают разрежение 0,8 МПа. Выдержка в вакуумной среде должна проходить в течение 20 минут. Далее вакуумный затвор перекрывают, автоклав через систему трубопроводов и кранов соединяют с ванной с пропиточным раствором, тем самым повышая давление в камере до атмосферного. После этого краны перекрывают, а вакуумный затвор открывают, доводя повторно разрежение в автоклаве до 0,08 МПа, поддерживая данное значение в течение 20 мин. Затем вакуумный затвор опять перекрывают, включают гидронасос и создают избыточное давление раствора 0,2 МПа. По достижении данного значения гидронасос отключают. Давление быстро снижается до атмосферного. Жидкостный насос опять включают. При достижении давления 0,2 МПа насос отключают. После выравнивания давления в третий раз повторяют цикл воздействия гидродавлением. Далее отключают жидкостный насос, раствор сливают из автоклава, древесину выгружают.
Пример. Пропитке подвергался сосновый пиломатериал II-ой группы пропитываемости размерами 25×150×3000 мм и заготовки размерами 40×40×2000, 40×40×450 и 40×40×300 мм I-го сорта влажностью 22%. Коэффициент загрузки автоклава - 0,8. Основные технические характеристики пропиточной установки - в табл. 1. Режимные параметры процесса пропитки: пропиточный раствор - 3% водный раствор антисептика УЛТАН, величина разрежения - 0,08 МПа, время достижения необходимой величины разрежения в автоклаве, заполненном заготовками и пиломатериалами - 10 сек, длительность стадии вакуумирования в среде пропиточного раствора - 20 мин, количество циклов вакуумирования - 2, величина давления пропиточного раствора - 0,2 МПа, количество циклов гидродавления - 3, общая продолжительность процесса пропитки - 52 мин.
3
3
Минимальная выявленная величина общего поглощения составила - 15,47 кг/м, что превышает рекомендуемое значение для антисептика УЛТАН (ТУ 2157-368-107-98), соответствующее 6…8 кг/м, которое обеспечивает срок службы древесины 25…35 лет. Глубина проникновения антисептика в ядровую древесину достигает верхнего предела (до 5 мм), установленного ГОСТ 20022.7-82. При этом рассеивание данного параметра незначительно.
Гарантированное качество пропитки обеспечивается у материалов, имеющих начальную влажность до 30%.
Таким образом, заявляемый способ позволяет сократить время пропитки древесины.
Источники информации
1. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения [Текст] / Б.Н.Уголев // М.: Лес. пром-ть, 1986, 248 с.
2. Ермолин В.Н. Основы повышения проницаемости жидкостями древесины хвойных пород [Текст]: моногр. дис.…докт.тех. наук. / В.Н.Ермолин // Красноярск: СибГТУ, 1999, 100 с.