СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ "ДРЕВИТ" И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OBTAINING MODIFIED WOOD "DREVIT" AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области деревообработки и может быть использовано при изготовлении модифицированной древесины из различных пород с одновременной ее защитной пропиткой.
Известен способ сушки древесины, включающий погружение древесины в нагретую жидкую среду, размещенную в сушильно-пропиточной камере, и выдержку в ней до достижения заданной величины влажности древесины с последующим ее охлаждением (патент US 4366627, 1999 г.). В качестве нагретой жидкой среды при этом используют горячее масло, а выдержку осуществляют при температуре выше температуры кипения воды.
Недостатками способа являются большая длительность процесса и не контролируемая глубина пропитки обрабатываемой древесины, что для многих случаев применения древесины неприемлемо и не позволяет достичь высокого консервационного эффекта.
Известен способ получения модифицированной древесины, включающий одновременную сушку, пропитку и прессование древесины в нагретом пропитывающем составе, при этом на всем протяжении процесса воздействуют на заготовку акустическим (ультразвуковым) полем (патент РФ №2391202, МПК B27K 3/08, опубл. 10.03.09 г.). Применение способа позволяет сократить длительность сушки-пропитки заготовки и повысить формостабильность модифицированной древесины: в результате воздействия акустического поля уплотненная древесина приобретает гидрофобные свойства и ее разбухание в воде не превышает 12%, что достаточно для изготовления шпал. Этот способ является наиболее близким к заявляемому техническому решению и выбран за прототип.
Однако с помощью данного способа не удается получить высококачественную древесину для художественных работ, т.к. обработанная древесина приобретает неравномерную по сечению окраску и отсутствует возможность управления цветом древесины.
Известно устройство для сушки древесины, реализующее способ сушки древесины (патент US 4366627). Устройство включает сушильно-пропиточную камеру, заполненную нагретой жидкой средой, в которую помещена заготовка. Заготовку выдерживают в сушильно-пропиточной камере до достижения заданной величины влажности древесины, после чего охлаждают. В качестве нагретой жидкой среды при этом используется горячее масло, а выдержка осуществляется при температуре выше температуры кипения воды. Устройство обеспечивает сушку древесины заготовки и пропитку поверхностного слоя маслом.
Недостатками устройства являются большая длительность процесса и не контролируемая глубина пропитки обрабатываемой древесины, что для многих случаев применения древесины неприемлемо и не позволяет достичь высокого консервационного эффекта.
Известно устройство для получения модифицированной древесины, реализующее способ получения модифицированной древесины (патент РФ №2391202, МПК B27K 3/08, опубл. 10.03.09 г.). Устройство содержит сушильно-пропиточную камеру с крышкой, заполненную пропитывающим составом, в который помещена заготовка, и соединенный с сушильно-пропиточной камерой источник акустической энергии. Устройство обеспечивает одновременную сушку, пропитку и прессование древесины заготовки в нагретом пропитывающем составе под действием акустического (ультразвукового) поля.
Устройство позволяет сократить длительность сушки-пропитки заготовки и повысить формостабильность модифицированной древесины: в результате воздействия акустического поля уплотненная древесина приобретает гидрофобные свойства и ее разбухание в воде не превышает 12%, что достаточно для изготовления шпал. Это устройство является наиболее близким к заявляемому техническому решению и выбрано за прототип.
Однако данное устройство не позволяет получить высококачественную древесину для художественных работ, т.к. древесина приобретает неравномерную по сечению окраску, и отсутствует возможность управления тоном (цветом) древесины.
Задачей создания изобретения является разработка способа и устройства для его реализации, которые позволяют повысить качественные характеристики модифицированной древесины.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ получения модифицированной древесины, включающий одновременную сушку, пропитку путем погружения в пропитывающий состав и воздействие на заготовку акустическим полем, и отличительных. Существенные признаки, такие как погружение заготовки в пропитывающий состав, ее последующее извлечение и, по крайней мере, частичное охлаждение, осуществляют в среде инертного газа, молекулярный вес которого больше молекулярного веса кислорода, при этом перед заполнением инертным газом объем над поверхностью пропитывающего состава предварительно вакуумируют, а пропитывающий состав перед погружением заготовки разогревают до температуры 140-230°C.
В пунктах 2 и 3 формулы изобретения отражены особенности размещения заготовки, а именно процесс ведут при вертикальном по волокну древесины положении заготовки; заготовку погружают в пропитывающий состав частично, при этом верхнюю часть (торец) заготовки оставляют над поверхностью пропитывающего состава.
Согласно п.4 формулы изобретения в качестве пропитывающего состава используют воскоподобные вещества.
Погружение заготовки в пропитывающий состав, ее последующее извлечение и, по крайней мере, частичное охлаждение в среде инертного газа, молекулярный вес которого больше молекулярного веса кислорода, с предварительным вакуумированием объема над поверхностью пропитывающего состава, позволяет надежно исключить контакт с кислородом воздуха как пропитывающего состава, так и заготовки на всех стадиях процесса, что исключает окисление разогретой древесины и пропитывающего состава, обугливание и снижение качества готового материала.
Разогрев пропитывающего состава перед погружением заготовки до температуры 140-230°C позволяет одновременно с процессами сушки, пропитки и уплотнения древесины осуществлять ее термическое модифицирование (окраску древесины в естественные тона без применения химических красителей), условием протекания которого для древесины различных пород является термическое воздействие в указанном диапазоне температур при ограничении доступа кислорода. Степень термического модифицирования и, соответственно, цвет окраски древесины (от светлых тонов до оттенков черного) задают регулируя температуру в пределах указанного диапазона и длительность обработки.
Осуществление способа при вертикальном по волокну древесины положении заготовки позволяет обеспечить одинаковые условия пропитки по поперечному сечению заготовки благодаря равномерному протеканию конвекционных и диффузионных процессов в результате соответствия направления расположения древесных волокон направлению действия сил гравитации, что обеспечивает наилучшее качество пропитки древесины.
Частичное погружение заготовки в пропитывающий состав, оставляя верхнюю часть (торец) заготовки над поверхностью пропитывающего состава, позволяет облегчить выход паров влаги из древесины заготовки через этот торец, поверхность которого не покрыта пропитывающим составом, что позволяет обеспечить более равномерную влажность и высокое качество готового материала по всему объему.
Использование в качестве пропитывающего состава воскоподобных веществ позволяет, благодаря их свойству жидкотекучести в капиллярной структуре древесины под действием акустического поля, обеспечить равномерную пропитку, высокое качество и высокие экологические характеристики готового материала. При этом пропитанная воском древесина допускает обработку поверхности до высокой степени чистоты.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков обеспечивают получение высоких качественных характеристик модифицированной древесины.
Полученной с помощью данного способа высококачественной модифицированной древесине, изготовленной из хвойных и лиственных пород, имеющей сквозную объемную пропитку, различную плотность и окраску, присвоено наименование «древит».
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в п.5 формулы изобретения, общих с прототипом, таких как устройство для получения модифицированной древесины, включающее сушильно-пропиточную камеру с крышкой, заполненную пропитывающим составом, в который помещена заготовка, и соединенный с сушильно-пропиточной камерой источник акустической энергии, и отличительных, существенных признаков таких как сушильно-пропиточная камера снабжена нагревателем, обеспечивающим разогрев пропитывающего состава до температуры 140-230°C, а крышка сушильно-пропиточной камеры выполнена герметичной и снабжена, по меньшей мере, одним патрубком, соединенным с системами вакуумирования и газонаполнения инертным газом.
Согласно п.6 формулы изобретения сушильно-пропиточная камера выполнена с возможностью размещения в ней заготовки вертикально по наибольшему размеру заготовки, а источник акустической энергии соединен с сушильно-пропиточной камерой с нижнего торца.
Особенность выполнения крышки сушильно-пропиточной камеры отражена в п.7 формулы изобретения, а именно крышка сушильно-пропиточной камеры выполнена в виде полой камеры, по меньшей мере, равной по объему сушильно-пропиточной камере.
Согласно п.8 формулы изобретения устройство снабжено механизмом (10) регулируемой загрузки заготовки в сушильно-пропиточную камеру и ее извлечения.
Наличие нагревателя сушильно-пропиточной камеры, обеспечивающего разогрев пропитывающего состава до температуры 140-230°C, позволяет поддерживать и контролировать температуру пропитывающего состава, что позволяет обеспечить заданную глубину термического модифицирования древесины заготовки и придать ей требуемый оттенок цвета.
Выполнение крышки сушильно-пропиточной камеры герметичной позволяет герметично ограничить объем над поверхностью пропитывающего состава в сушильно-пропитывающей камере, а снабжение крышки, по меньшей мере, одним патрубком, соединенным с системами вакуумирования и газонаполнения инертным газом, позволяет удалить воздух и заполнить объем инертным газом для предотвращения контакта с воздухом и окисления разогретых пропитывающего состава и заготовки.
Выполнение сушильно-пропиточной камеры с возможностью размещения в ней заготовки вертикально по наибольшему размеру l заготовки и при этом соединение источника акустической энергии с сушильно-пропиточной камерой со стороны ее нижнего торца позволяет обеспечить одинаковые условия пропитки по поперечному сечению заготовки благодаря равномерному протеканию конвекционных и диффузионных процессов в пропитывающем составе в результате соответствия направления расположения древесных волокон направлению действия акустической энергии, а также направлению действия сил гравитации, что обеспечивает наилучшее качество пропитки древесины.
Выполнение крышки сушильно-пропиточной камеры в виде полой камеры, по меньшей мере, равной по объему сушильно-пропиточной камере, позволяет разместить под крышкой в среде инертного газа заготовку перед погружением и по завершению процесса, исключая контакт заготовки с кислородом, обугливание и снижение качества готового материала.
Снабжение устройства механизмом регулируемой загрузки заготовки в сушильно-пропиточную камеру и ее извлечения позволяет осуществлять частичное и полное погружение заготовки на заданное время, обеспечивающее выполнение режимов изготовления модифицированной древесины, достижение высоких качественных характеристик.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков обеспечивают получение высоких качественных характеристик модифицированной древесины.
Изобретение иллюстрируется примерами реализации и чертежом
Пример. Способ осуществляют следующим образом.
Готовят заготовки из древесины различных пород, обычно с влажностью 20-60%. Заготовки помещают в объеме над сушильно-пропиточной камерой, который предварительно вакуумируют и заполняют инертным газом с молекулярным весом большим, чем у кислорода (например, аргоном). Сушильно-пропиточную камеру заполняют пропитывающим составом, который разогревают до температуры от 140 до 230°C, в зависимости от требуемой степени модифицирования древесины и выбранного режима пропитки. Погружают заготовки, частично или целиком, предпочтительно расположенные в вертикальном по волокну направлении, в пропитывающий состав и выдерживают там, за один или несколько приемов, в течение заданного времени модифицирования. Подводят акустическую энергию к сушильно-пропиточной камере и осуществляют процесс модифицирования. Испаряемую из древесины влагу удаляют из объема над сушильно-пропиточной камерой. По завершении процесса извлекают заготовки из пропиточного состава и охлаждают в среде инертного газа до температуры не выше 140°C, после чего складируют на воздухе как готовый материал «древит».
При этом инертный газ в объеме над сушильно-пропиточной камерой надежно исключает контакт с кислородом воздуха как пропитывающего состава, так и заготовок на всех стадиях процесса, что исключает окисление разогретой древесины и пропитывающего состава, обугливание и снижение качества готового материала. В пропитывающем составе при температуре 140-230°C одновременно с процессами сушки, пропитки и уплотнения древесины происходит ее термическое модифицирование. Вертикальное по волокну древесины погружение заготовок, частичное или поэтапное погружение заготовок в пропитывающий состав обеспечивают более равномерное удаление влаги и пропитку заготовок. Пропитка заготовок воскоподобными веществами обеспечивает высокие экологические характеристики готового материала.
Модифицированная древесина «древит», изготовленная из различных хвойных и лиственных пород, обладает равномерными по объему пропиткой, окраской от светлых тонов до оттенков черного (без применения химических красителей), отсутствием трещин и внутренних напряжений, высокой формостабильностью, что является высокими показателями качества.
Плотность модифицированной древесины «древит» увеличивается до двух раз, твердость хвойных пород увеличивается до 150%, лиственных - до 127%.
3
2
Например, полученная предлагаемым способом модифицированная древесина «древит», изготовленная из березы (пропитка - воск пчелиный, температура модифицирования 220-230°C) имеет черно-коричневую окраску, плотность до 1,2 кг/м и твердость до 45 Н/м, по внешнему виду соответствует черному мореному дубу, являясь аналогом дорогостоящих ценных пород древесины.
Точные посадочные размеры деталей, изготовленных из «древита», остаются в пределах допусков при колебании влажности окружающего воздуха от 12 до 100%.
Время изготовления модифицированной древесины «древит» из лиственных пород для заготовок толщиной 50-100 мм составляет от 10 минут при температуре 140°C (при этом цвет окраски близок исходному) до 1,5 часов при температуре 220-230°C - для получения окраски «черный дуб».
Осуществление заявляемого способа с помощью устройства поясняется чертежом.
Устройство для осуществления способа получения модифицированной древесины «древит» содержит сушильно-пропиточную камеру 1 с крышкой 2, заполненную пропитывающим составом 3, в который помещена заготовка 4, и соединенный с сушильно-пропиточной камерой 1 источник акустической энергии 5. Сушильно-пропиточная камера 1 снабжена нагревателем 6, обеспечивающим разогрев пропитывающего состава 3 до температуры 140-230°C, а крышка 2 сушильно-пропиточной камеры 1 выполнена герметичной и снабжена, по меньшей мере, одним патрубком 7, соединенным с системами вакуумирования и газонаполнения инертным газом (не показаны). Заготовка 4 расположена в сушильно-пропиточной камере 1 вертикально по наибольшему размеру l, а источник акустической энергии 5 соединен с сушильно-пропиточной камерой 1 с нижнего торца 8. Крышка 2 сушильно-пропиточной камеры 1 выполнена в виде полой камеры 9. Под крышкой 2 сушильно-пропиточной камеры 1 расположен механизм 10 регулируемой загрузки и извлечения заготовки 4.
Устройство работает следующим образом.
Сушильно-пропиточную камеру 1 загружают пропитывающим составом 3, закрывают герметично крышкой 2, в полости 9 которой на механизме 10 закреплена заготовка 4. Полость 9 крышки 2 через штуцер 7 вакуумируют и заполняют инертным газом (аргоном). Пропитывающий состав 3 с помощью нагревателя 6 разогревают до температуры в диапазоне от 140 до 230°C. Заготовку 4 с помощью механизма 10 погружают в пропитывающий состав 3 и выдерживают в соответствии с заданным режимом процесса. Акустическую энергию от источника акустической энергии (излучателя) 5 подают со стороны нижнего торца 8 сушильно-пропиточной камеры 1 к пропитывающему составу 3 и осуществляют процесс. По завершении процесса заготовку 4 извлекают при помощи механизма 10 из пропитывающего состава 3, помещая в объеме 9 крышки 2 и обеспечивая остывание заготовки 4 в среде инертного газа до температуры не выше 140°C (положение заготовки 4 в объеме 9 показано пунктиром). После остывания заготовки 4 аргон из объема 9 через штуцер 7 удаляют, крышку 2 отделяют от сушильно-пропиточной камеры 1, из объема 9 крышки 2 с помощью механизма 10 извлекают готовый материал - модифицированную древесину «древит».
3
Изготовленная с помощью предлагаемого изобретения модифицированная древесина «древит» обладает равномерными по объему сквозной пропиткой, окраской от светлых тонов до оттенков черного (без применения химических красителей), плотностью до 1,2 кг/м, отсутствием трещин и внутренних напряжений, высокой формостабильностью, что является высокими показателями качества.
Хотя настоящее изобретение описано посредством примеров его выполнения, объем данного изобретения не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов.