СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ, ПРОЧНОСТИ И ПОЖАРОСТОЙКОСТИ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD FOR IMPROVING OF WOOD STRENGTH, HARDNESS AND FIRE RESISTANCE

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано для повышения устойчивости, прочности и пожаростойкости изделий и конструкций из древесины.
Известен способ получения изделий из модифицированной древесины (см. SU №1248802, B27K 5/06, опубл. 07.08.1986), включающий обработку древесных отходов мочевиной, разделенных в осевой плоскости на два равных полуцилиндра, и сушку под давлением в матрице прямоугольной формы. Однако основное назначение изобретения направлено приданию пластичных свойств и новой формы с целью уменьшения отходов при последующей механической обработке. При этом данные о приобретении модифицированной древесиной новых свойств по прочности, огнестойкости, влагостойкости отсутствуют.
Известен способ получения материала с улучшенными декоративными и антибактериальными свойствами (см. заявку RU №95108649, B27K 5/02, опубл. 20.08.1996), когда в емкость для обработки древесины вносятся карбонат аммония или водный раствор аммиака, а затем производится последовательная обработка древесины смесью газообразного аммиака и газообразным кислородом при различных показателях давления и температуры. Недостатком данного способа является необходимость применения химических препаратов модифицирующей смеси и использования специального оборудования сложной конструкции, что значительно удорожает производство в целом.
Известен способ обработки малоценной древесины (см. RU №2142876, B27K 5/06, опубл. 20.12.1999), повышающий ее физико-механические свойства, который основан на обработке древесины в автоклаве в присутствии газообразного аммиака при различных показателях давления и температуры, пятикратными циклами прогрева, вакуумирования, а затем обработки механическим давлением материала. Способ предназначен, в основном, для обработки древесных частиц и отличается значительной энергозатратностью.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, повышающий качество обработки древесины, при котором сокращается продолжительность пропитки цилиндрических заготовок маслянистым антисептиком (длиной до 6 м) и включает обработку ультразвуком и переменным давлением (см. RU №2378106, B27K 3/02, B27K 3/08, опубл. 10.01.2010). Однако необходимость дополнительного приобретения ингредиентов для состава пропитки, а также приобретение специализированного оборудования для ультразвуковой обработки древесины, не способствуют удешевлению производства в целом.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении эффективности и удешевлении процессов придания древесине устойчивости, прочности и пожаростойкости.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в получении способа повышения устойчивости, прочности и пожаростойкости древесины при использовании естественных отходов животноводческих комплексов.
Для решения поставленной задачи способ повышения устойчивости, прочности и пожаростойкости древесины, включающий раскрой древесины вдоль волокон, вакуумирование и пропитку заготовок в герметичной камере, отличается тем, что для пропиточного раствора используют жидкую фазу естественных отходов крупного рогатого скота (КРС), при этом предварительное вакуумирование заготовок древесины проводят в камере при давлении 60-62 мм рт.ст., температуре 70-80°C в течение 18-20 мин, далее после разгерметизации камеры подают пропиточный раствор и проводят пропитку древесины без внешнего давления в течение 15-20 мин.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают повышение эффективности защитной обработки древесины путем использования естественных отходов жизнедеятельности КРС, что значительно удешевляет проводимые работы.
В результате защитной обработки древесины заявляемым способом заготовки уплотняются, пористость уменьшается и повышается твердость. Древесина приобретает стойкость к температурно-влажностным воздействиям, за счет низкой пористости в материале повышается огнестойкость, кроме того, древесина не подвергается разрушительному воздействию биовредителей (грибов, насекомых).
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где на чертеже показана технологическая схема сбора жидкой фазы естественных отходов жизнедеятельности КРС и обработки древесины.
Технологический процесс защитной обработки древесины включает использование следующего оборудования: раскройное оборудование 1 с механизмами подачи древесного сырья 2, вакуумная пропиточная камера 3 со сливным патрубком 12, вакуумным насосом 4 и герметичным люком 13, загрузочно-разгрузочная тележка 14, накопительный резервуар для сбора жидкой фазы естественных отходов жизнедеятельности КРС 5 с изолированной стенкой 6 для поддержания постоянной температуры в камере и электромотором 8 вибратора 15, крыльчатый элеватор очистки навоза 9 с каналом для сбора навоза 7, сетчатый настил 10 для стока жидкой фазы (мочи), кормовая ячейка 16 в стойбище КРС 11.
При этом вакуумный насос 4 снабжен предохранительным клапаном для сжатого воздуха, с помощью которого регулируется давление в пропиточном резервуаре.
В пропиточной камере 3 обеспечивается технологический режим для обработки древесины, примеры которого показаны в таблице 1, исходя из которой определяются оптимальные условия обработки, например, при давлении вакуумирования не более 62 мм рт.ст., температуре древесины 40°C коэффициент циркуляции составляет 1,315 см/сек.
Способ обработки древесины осуществляется следующим образом.
Способ может быть осуществлен, например, в животноводческих комплексах. При этом на первоначальном этапе выполняется выделение и накопление в отдельных резервуарах жидкой фазы отходов КРС. Устройство также содержит вакуумную камеру, нагреваемую и наполняемую естественными отходами из отдельного резервуара под определенным давлением.
На обработку поступает древесное сырье, например, в виде круглой древесины, предварительно отсортированной по размерам, породам и т.д. При этом сортименты могут быть торцованы по длине на нужные размеры и не требуется принудительного высушивания.
Таким образом, круглая древесина, например, атмосферной сушки, раскраивается вдоль волокон на брусья. Далее получаемые заготовки помещаются в герметичную камеру, в качестве которой могут быть использованы, например, специальные автоклавы для пропитки длинномерной древесины. Для загрузки и выгрузки штабелей используется вспомогательное внутрицеховое транспортное оборудование (например, тележки на рельсах).
В камере после загрузки древесины создается пониженное давление 60-62 мм рт.ст. при температуре 70-80C°, продолжительность выдержки в этих условиях составляет 18-20 минут. Считается, что в результате изменения температуры и давления в камере влага, содержащаяся внутри древесины, подвергается сильному испарению, вызывая разрывы стенок клеток. При этом создается вакуум для увеличения проницаемости материала.
Далее в процессе постепенной разгерметизации камеры подается пропиточный раствор на естественных отходах жизнедеятельности КРС, продолжительность выдержки древесины в камере с раствором составляет 15-20 минут. Пропитанная древесина выгружается из камеры и помещается на склад для сушки в естественных условиях на открытом воздухе.
При этом содержание в пропиточном растворе составляет: азота - 0,50 г/л, аммиака - 14,73 ед., золы 2,80 ед.
В таблице 2 приведены сравнительные результаты испытаний древесины, обработанной и необработанной защитным составом.
Испытания на иожаростойкость древесины проводились по методике расчета огнестойкости, в основе которой лежит определение времени, по истечении которого в условиях высокотемпературного воздействия при пожаре наступает одно из предельных состояний. Основным критерием методики оценки огнестойкости является глубина выгорания сечения (Z), которая зависит от скорости выгорания сечения, времени горения, температуры окружающей среды (T), влажности (W0) и многих других параметров. В расчетах остаются постоянными значениями T, W0, поэтому основными характеристиками выступают скорость выгорания сечения, время горения, а также расчетное значение сопротивления древесины при пожаре, при этом учитываются уменьшение рабочего сечения материала в результате обугливания и, соответственно, увеличение напряжения в древесине.
По требованиям СНиП II-2-80 и СТО 36554501-066-2006 «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» скорость обугливания для цельной древесины принимается в пределах 1 мм/мин для элементов размерами в поперечном сечении менее 120 мм и 0,7-0,8 мм/мин - более 120 мм.
Эффективность воздействия отходов КРС па древесину подтверждается также результатами испытаний образцов на прочность и огнестойкость, например, из деталей полового настила разобранных хозяйственных помещений животноводческих комплексов, где долгое время содержался скот.
Сравнительный анализ экспериментального и контрольного образцов древесины показал следующие результаты. На контрольных образцах образовались трещины шириной от 0,2 до 1,1 см, длиной от 8 до 15 см, глубиной от 0,5 до 2,3 см. На экспериментальных образцах зафиксированы трещины шириной до 0,5 см, длиной - до 7 см, глубиной - не более 0,7 см.
Испытания на огнестойкость экспериментальных и необработанных образцов древесины проводились путем воздействия открытого огня в течение 3 мин. В результате этого наблюдалось быстрое возгорание необработанного образца, характеризующееся распространением пламени. У образцов экспериментальной группы, при тех же условиях испытаний, не наблюдалось горения открытым огнем, при этом древесина тлела, а глубина обугливания после самостоятельного тушения составила в среднем 1,2 см, что также может свидетельствовать о невысокой температуре отходящих газов.
Таким образом, у древесины после защитной обработки по заявляемому способу наблюдаются:
- повышение плотности до 30-35% за счет, больше всего, снижения пористости в результате засаливания пропитывающего вещества в порах древесины;
- увеличение прочностных свойств до 10-15% в результате уплотнения древесины;
- улучшается стойкость древесины при температурно-влажностных воздействиях, что характеризуется стабильностью ее форм и линейных размеров, а также, значительным уменьшением водо- и газопроницаемости и водопоглощения;
- повышается пожаростойкость за счет предотвращения свободного поступления кислорода во внутренние полости древесины.