Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древесины в жидкостях

Р. Р. Сафин, Е. А. Белякова, Р.А. Халитов,

Е. И. Байгильдеева

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ

Ключевые слова: энергосберегающие технологии, древесина дуба, термомодифицирование.

В статье описана энерго- и ресурсосберегающая технология термомодифицирования древесины дуба, представлен анализ древесины дуба при разных температурных режимах обработки.

Keywords: power saving up technologies, oak wood, thermomodifying.

In article it is described power- and resource-saving technology of thermomodifying of wood of an oak, the analysis of wood of an oak is presented at different temperature modes ofprocessing

Введение

Термомодифицирование древесины в жидкостях является перспективной технологией в области художественной и имитационной обработки древесины благодаря значительной интенсификации процесса обработки по сравнению с традиционными технологиями, повышению качественных показателей материала, улучшению его эстетических и экологических характеристик. Для определения рациональных режимов термомодифицирования древесины в жидкости были проведены исследования, разработано аппаратурное оформление исследуемых процессов и инженерная методика расчета продолжительности термической обработки с целью получения материала заданной степени модифицирования.

В данной статье приводятся результаты внедрения в производство технических решений, направленных на усовершенствование существующий технологии, обеспечивающей реализацию предлагаемого способа в рамках

деревообрабатывающих предприятий с малой мощностью.

1. Аппаратурное оформление процесса термомодифицирования древесины в жидкостях

Для определения рациональных режимов процесса термомодифицирования древесины в жидкостях была разработана установка,

представленная на рис. 1, состоящая из герметичной

камеры 1 и плоской крышки 2 с прижимной

металлической перегородкой 3.

Внутри автоклава размещены

термоэлектрический нагреватель 4, над которым размещают древесину 5, подвергающуюся тепловой обработке, и лопастная мешалка 6. Камера 1

сообщается с линией вакуумирования, состоящей из конденсатора 7, вакуумного насоса 8, вакуумных клапанов 9, 10 и напускного клапана 11.

Установка также включает емкость 12 для хранения гидрофобной жидкости, содержащую внутренний резервуар 13, сообщающийся с камерой 1 при помощи паропровода 14 с клапаном 15.

Рис. 1- Схема установки термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях

Установка работает следующим образом. Через открытую крышку 2 древесину 5 помещают в герметичную камеру 1. После герметизации автоклава при помощи вакуумного насоса 8 путем откачки воздуха из аппарата при открытых клапанах 9, 10 и 16 производят заполнение камеры жидкостью из емкости 12. После заполнения автоклава достаточным количеством жидкости, клапаны 9, 10 и 16 закрывают, включают термоэлектрический нагреватель 4 и лопастную мешалку 6, создающую циркуляцию жидкости.

Жидкую среду, а следовательно, и древесину постепенно нагревают до температуры 200 - 240 оС при давлении, не превышающем атмосферное значение. Температура нагрева контролируется с помощью установленной в камере термопары 17 и щитка управления 18.

После повышения температуры древесины 5 до заданного значения осуществляют ее выдержку в жидкой среде в течение 2-6 ч в зависимости от породы и толщины пиломатериала. При достижении необходимой степени термомодифицирования производят слив жидкости из камеры 1 в емкость 12 при открытых клапанах 11 и 16. При этом во внутренний резервуар 13 емкости 12 путем открытия клапана 19 предварительно заливают воду, которая в результате слива нагретой жидкости в емкость 12 вскипает с созданием избыточного давления в резервуаре 13.

После слива всей жидкости из камеры 1 в последней с помощью вакуумного насоса 8 и конденсатора 7 при открытых клапанах 9 и 10 создают вакуум. Выдержку древесины 5 в условиях вакуума осуществляют в течение 15-20 мин. Далее открытием клапана 15 осуществляют подачу водяного пара из резервуара 13 в камеру 1, при этом в работе остается конденсатор 7, клапан 9 закрывают.

Расход водяного пара из резервуара 13 и производительность конденсатора 7 подбираются таким образом, чтобы насыщенный пар, поступающий в камеру 1, перегреваясь от нагретого материала, удалялся в конденсатор 7 без создания избыточного давления в автоклаве 1, при этом нагретый в конденсаторе 7 хладагент может быть использован в технических целях.

После обработки древесины 5 в среде водяного пара в камере 1 создают вакуум с помощью вакуумного насоса 8 при открытых клапанах 9 и 10, где выдерживают древесину 5 в течение 1-2 часов. После стадии охлаждения термообработанную древесину 5 выгружают из герметичной камеры 1, куда загружают необработанную древесину, и процесс термомодифицирования повторяют, используя жидкость из емкости 12, охлажденную путем теплообмена с водой во внутреннем резервуаре 13.

Предварительное охлаждение рабочей жидкости необходимо для последующего равномерного прогрева материала [1, 2]. Применение стадий вакуумирования и пропаривания после прогрева древесины направлено на снижение температуры материала до 120 - 130оС и на предотвращение самопроизвольного возгорания древесины при заданных высоких температурных режимах, применение стадии окончательного вакуумирования в течение 1-2 часов направлено на охлаждение материала и удаление жидкого агента обработки из внутренних полостей клеток древесины [1, 3].

2. Исследование влияния режимов обработки на термомодифицированную древесину

Для исследований процесса

термомодифицирования древесины в жидкостях была выбрана древесина дуба, обладающая высокой твердостью, плотностью и низкой

водопроницаемостью. Использовались необрезные пиломатериалы толщиной 40, 50 и 60 мм, длиной вдоль волокон 2000 мм, с начальной влажностью 12%. Перед погружением в гидрофобную жидкость пиломатериалы выборочно взвешивали на электронных весах и измеряли линейные размеры.

Для возможности математического описания результатов процесса термомодифицирования древесины в жидкости были проведены экспериментальные исследования физикомеханических свойств термомодифицированной древесины дуба.

На основании полученных данных был сделан вывод, что повышение температуры и увеличение продолжительности обработки древесины при термомодифицировании ведет к снижению прочностных показателей древесины. Это

подтверждает трехмерное представление (рис. 2) полученных результатов и математическое выражение (1), характеризующие изменение показателя ударной твердости дубового образца в зависимости от режимов термомодифицирования:

Н\«у=

где И№у - ударная твердость, Дж/см2; Т - температура; К; т - текущее время

1.3

1.2

ИУ 1.1

И

Дж/см2

0.9 0.8 0.7

Рис. 2 - Твердость древесины в зависимости от различных режимов обработки

Трехмерное представление (рис. 3) полученных

результатов и математическое выражение (2) характеризуют изменение показателя предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон дубового образца в зависимости от режимов термомодифицирования:

ст\«сжатие=-

где а№сжаше - предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон, МПа.

^5

МПа

Рис. 3- Прочность при сжатии древесины в зависимости от различных режимов обработки

На основании полученных

экспериментальных данных (рис. 4) был сделан вывод, что равновесная влажность образцов древесины снижается с повышением температуры обработки, что, как следствие, вызывает повышение биостойкости материала и улучшение его физикомеханических характеристик. Это объясняется тем, что повышение температуры обработки древесины ведет к термическому разложению экстрактивных веществ, таннидов и тил, содержащихся в древесине и

способствующих влаго- и водопоглощению, в результате чего водопроводящая функция термомодифицированной древесины снижается,

несмотря на значительное уменьшение ее плотности.

\У,»о

О 24 48 72 144

г, ч

Рис. 4 - Влагопоглощение древесины при разных температурах обработки

На основании полученных

экспериментальных данных также была получена зависимость продолжительности обработки от требуемой степени термомодифицирования:

_120*еЮ,035-0,358*1п

где Ь - степень термомодифицирования древесины.

На практике целесообразно определять рациональные режимные параметры процесса термообработки исходя из заданной степени термомодифицирования древесины, что в свою очередь позволит рассчитать физико-механические

свойства получаемого пиломатериала и определить возможные условия его эксплуатации.

Заключение

Термомодифицирование древесины в гидрофобных жидкостях отличается экологичностью и является современной альтернативой химическим способам обработки древесины, а благодаря своему конструктивному решению может применяться малыми деревообрабатывающими предприятиями.

В процессе обработки термодревесина становится более влагоустойчивой и приобретает различные цветовые решения в зависимости от режимов обработки. В частности, древесина дуба приобретает в ходе термообработки эксклюзивные и уникальные цветовые характеристики, свойственные параметрам мореной древесины, при этом сохраняются ее превосходный внешний вид, высокая прочность, долговечность, физико-механические свойства и стойкость к гниению.

Литература

1. Шубин, Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г.С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990.

- 336 с.

2. Сафин, Р.Р. Исследование совмещенной сушки-пропитки массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов, Р. М. Иманаев // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2006. - №6. - С.78-85.

3. Кислицин, А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы / А.Н. Кислицин. - М.: Лесная пром-ть, 1990. - 311 с.

© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ; Е. А. Белякова - асс. той же кафедры; Р. А. Халитов - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования химических заводов КНИТУ; Е. И. Байгильдеева -канд. техн. наук, доц. ПДМ КНИТУ, elena.aleksandr@mail.ru.