ПОЛИМЕРИЗАЦИОННО-ПРОПИТОЧНЫЙ РАСТВОР ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
POLYMERISATION-IMPREGNATION SOLUTION FOR WOOD MODIFICATION

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и стройиндустрии и, в частности, к пропитке древесины.
3
Полимеризационно-пропиточный раствор содержит растворенные в воде антисептик и антипирен. Новым является то, что состав содержит водно-щелочной раствор ацетонформальдегидной смолы (АЦФ), кремнефтористый аммоний и поглотители свободных фенолов - наночастицы Al(OH) или раствор «Fiberline 489» при следующем соотношении компонентов, мас.%:
АЦФ
20,0-22,0
Щелочь
0,6-1,1
Кремнефтористый аммоний
2,0-3,0
Al(OH)<sub>3</sub> или «Fiberline 489»
0,2-0,3
Вода
остальное
Способ введение полимеризационно-пропиточного раствора в волокна древесины для объемной модификации древесины, заключающийся в предварительной технологической подготовке полимеризационно-пропиточного раствора путем последовательного растворении всех компонентов пропиточного состава раствора до полного растворения в горячей воде при температуре 50-60°C.
Закачивают полимеризационно-пропиточный раствор в капилляры предварительно высушенной древесины путем создания в вакуум-барокамере гидравлического давления 8-10 МПа и выдерживают 2-3 часа. Создают в вакуум-барокамере вакуум 0,8 МПа и выдерживают 0,5-1,0 часа. Восстанавливают давление в камере до атмосферного. Подготовленную древесину на палетах перемещают, например, в туннельную СВЧ-сушилку. Полимеризацию пропиточного раствора проводят в течение 120-300 минут при температуре 75-88°C.
Описание изобретения
Предлагаемое изобретение относится к области пропитки древесины и может быть использовано в деревообрабатывающей промышленности и стройиндустрии.
Известен раствор на основе патента, описанного в [1], для модифицирования древесины, которая после обработки приобретает повышенные огнезащитные свойства и время жизнеспособности.
В известном полимеризационно-пропиточном растворе, содержащем растворенные в воде антисептик и антипирен, соотношение компонентов пропиточного состава составляет, мас.%:
Фенолоспирты - 25-35
Диаммонийфосфат - 9-10
Сульфат аммония - 6-7
Мочевина - 12-20
Аммиак - 2,3-2,7
Вода - остальное
Пропиточный раствор наносится на защищаемую поверхность кистью или пульверизатором до прекращения впитывания либо окунанием. Обработка многократная, минимум в 2-3 приема, с промежуточной выдержкой, возможна принудительная конвективная сушка. Пропиточный раствор приготавливают на рабочем месте путем последовательного растворения компонентов в горячей воде при температуре 50-60°C.
В этом полимеризационно-пропиточном растворе фенолоспирты, полимеризуясь в древесине при хранении и нагревании, улучшают ее физико-механические свойства и снижают горючесть. Диаммонийфосфат оказывает огнезащитное действие на древесину, а мочевина и аммиак, повышая pH пропиточного раствора до 8,0-8,50, способствуют совмещению фенолоспиртов с диаммонийфосфатом и являются дополнительными антипиренами.
Известный состав полимеризационно-пропиточного раствора имеет ограниченное использование и только в условиях промышленного предприятия, так как пропитка полуфабрикатов и древесных материалов производится с последующим отверждением при четырехступенчатом повышении температуры с выдержкой в течение 9 часов. В результате получают огнестойкий древесно-полимерный материал, из которого изготавливают изделия. Пропитка древесины практически поверхностная.
3
Кроме того, производство огнестойких материалов относится к категории опасных для здоровья работников из-за действия фенола на нервную систему людей, вызывая острые хронические отравления при превышении предельно допустимой концентрации. Содержание паров фенола в воздухе рабочей зоны производственных помещений, согласно ГОСТ 12.1005-88, не должно превышать 0,3 мг/м.
В качестве прототипа предлагаемого способа модифицирования древесины с учетом поставленной задачи и достигаемого при ее решении технического результата - улучшения свойств древесины лиственных пород с различной структурой материала, выбрано техническое решение, описанное в патенте [2].
В известном полимеризационно-пропиточном растворе, содержащем растворенные в воде антисептик и антипирен, соотношение компонентов пропиточного состава составляет, мас.%:
Фенолоспирты
10-30
Латекс
5-15
Карбамидоформальдегидная смола
5-85
Введение в состав значительного количества карбамидоформальдегидной смолы, имеющей реакционноспособные группы, приводит к формированию более совершенной структуры древесно-полимерного композита. Так как высокополярные фенолоспирты проникают в клеточную стенку древесины, более длинные молекулы каучука заполняют полости крупных капилляров, а карбамидоформальдегидный полимер, легко связываясь с каучуком и фенолоспиртами, располагается по всей капиллярной системе древесины. Деформативность такой трехмерной полимерной сетки обеспечивается в основном молекулами каучука, связанными с фенолоформальдегидными и карбамидоформальдегидными полимерами.
Получение модифицированной древесины с использованием известного способа осуществляется по следующей технологии.
В емкость заливают карбамидоформальдегидную смолу КФ-90 с отвердителем (0,25% хлористый аммоний), затем добавляют предварительно подготовленную смесь фенолоспиртов марки В (ТУ-05-1164-81) и стабилизированного бутадиенстирольного латекса СКС-65П. Стабилизацию латекса осуществляют 10%-ным раствором эмульгатора ОП-7. Состав перемешивают в смесителе до появления равномерной светлой окраски.
3
Для анализа параметров известного способа модифицирования древесины были взяты образцы березы размерами 10×10×150 мм (последний размер вдоль волокон), плотностью 620 кг/м.
Пропитка осуществлялась по рекомендованному режиму: предварительное вакуумирование 20 мин (глубина вакуума 0,005 МПа); заливка пропиточного раствора и выдержка образцов в течение 2 часов при давлении 1,2 МПа. Пропитанные образцы подсушивались при 80-90°C в течение 16-18 часов и для отверждения модификаторов подвергались термообработке 4-6 часов при 110-120°C.
3
Как показали результаты испытаний, выход готовой продукции с 1 м заготовки по предлагаемой технологии составил 45-50%.
Производство материалов строительного назначения из модифицированной древесины по технологии в соответствии с [2] относится к категории опасных для здоровья работников из-за действия фенола на нервную систему людей, вызывая острые хронические отравления при превышении предельно допустимой концентрации.
Техническая задача, на решение которой направлен предлагаемый полимеризационный пропиточный раствор для объемного модифицирования древесины, - расширение технологических возможностей использования древесины лиственных пород путем объемной модификации структуры древесины, что способствует получению экологически безопасной модификации древесины с высокими физико-механическими свойствами для последующего экономически выгодного их использования в производстве различных изделий.
3
Полимеризационно-пропиточный раствор содержит растворенные в воде антисептик и антипирен. Новым является то, что состав содержит водно-щелочной раствор ацетонфармольдегидной смолы (АЦФ), кремнефтористый аммоний и поглотители свободных фенолов - наночастицы Al(OH) или раствор «Fiberline 489» при следующем соотношении компонентов, мас.%:
АЦФ
20,0-22,0
Щелочь
0,6-1,1
Кремнефтористый аммоний
2,0-3,0
Al(OH)<sub>3</sub> или «Fiberline 489»
0,2-0,3
Вода
остальное
Для достижения поставленной цели полимеризационно-пропиточный раствор для объемного модифицирования древесины готовят в следующей последовательности: растворяют последовательно все компоненты до полного растворения в горячей воде, температура которой 50-60°C.
Технология получения модифицированной древесины заключается в следующем: бруски распиливают на заданные размеры, придают заданную форму, заготовки укладывают на палеты и затем поступают в вакуум-барокамеру, где осуществляется сушка. Волокна древесины расширяются и создаются условия для свободного перемещения влаги вдоль волокон древесины. Свободная влага испаряется как с поверхности древесины, так и из внутреннего объема через волокна древесины. Во время сушки система автоматического контроля осуществляет постоянный сброс влаги из вакуум-барокамеры. Сушка древесины проводится до влажности 3%. Выведенная из древесины вода удаляется из камеры через запорную арматуру. Внутренние волокна древесины под действием температуры расширены, разность давления внутри волокон и снаружи, эти технологические приемы способствуют более полному удалению из капилляров воды и влаги. Подается в вакуум-барокамеру полимеризационно-пропиточный раствор модификатора структуры древесины в количестве, обеспечивающем полное погружение древесины и заполнение камеры, создается в течение 2-3 часов гидравлическое давления 8-10 МПа, благодаря которому пропиточный раствор проникает в подготовленные капилляры древесины. Затем создается вакуум 0,8 МПа и осуществляется выдержка в течение 0,5-1,0 часа. Под воздействием вакуума в капилляры древесины закачивается пропиточный раствор.
Давление в вакуум-барокамере восстанавливается до атмосферного. За счет разницы давлений (низкого внутри обрабатываемого материала и атмосферного в камере), модифицирующий состав полностью проникает в капилляры древесины.
Подготовленная древесина на палетах перемещается, например, в туннельную СВЧ сушилку. Время сушки 2-5 часов при температуре 75-88°C, где происходит дальнейшая сушка и полимеризация. Такая технологическая последовательность обеспечивает повышение выхода бездефектной древесины до 70-90%. Древесина не растрескивается и ее не коробит.
Уменьшению объемных напряжений, улучшению контактных взаимодействий между волокнами древесины, при осуществлении заданного режима модифицирования, обеспечивается за счет температуры процесса полимеризации, которая не превышает 95°C, а внутренние напряжения не превышают предельных значений механической прочности волокон древесины. Процесс охлаждения производят на воздухе вне СВЧ сушилки.
В результате описанных выше технологических приемов и режимов модифицированный древесный образец имеет высокую плотность, значительно превышающую по своей величине плотность исходного древесного образца, при этом величина плотности образца стабильна по его объему. При полной глубине обработки удаляются микротрещины с поверхностного слоя древесной заготовки, образующиеся в результате традиционной технологической выдержки, повышаются физико-механические свойства древесины и противопожарная безопасность.
Механизм стабилизации модифицированной древесины: при нагревании полимеризационно-пропиточного раствора до 88°C в слабощелочной среде происходит поликонденсация полимерной смолы с образованием макромолекул линейного строения. Реакция взаимодействия целлюлозы с АЦФ в полимеризационно-пропиточном растворе протекает с образованием сложных эфиров. АЦФ смола взаимодействует также с лигнином. Лигнины представляют собой аморфные высокомолекулярные соединения ароматической природы, построенные из фенилпропановых звеньев. Происходит армирование природного полимера пропиточным составом с образованием нового свойства древесины. Физико-механические характеристики природной древесины и прототипа представлены в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительная характеристика натуральной древесины и прототипа
Порода
Характеристика
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Твердость торцевая, МПа
Прочность на изгиб, МПа
Прочность на сжатие, МПа
Износ при истирании, мм
Влагопоглощение за 24 ч в воде, %
Береза
0,63
44
85
50
0,5-0,6
70-80
Береза (прототип)
0,75
61
120
70
0,3-0,4
5-8
Осина
0,47
28
75
36
1,2
70-95
Осина модифицированная (прототип)
0,77
65
110
61
0,7
7-10
Дуб
0,65
34
98
64
0,7-0,9
70-80
Дуб модифицированный (прототип)
0,82
70
135
80
0,42-0,5
7-9
Физико-механические характеристики природной древесины и заявляемого объекта изобретения представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнительная характеристика природной и модифицированной древесины
Порода
Характеристика
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Твердость торцевая, МПа
Прочность на изгиб, МПа
Прочность на сжатие, МПа
Износ при истирании, мм
Влагопоглощение за 24 ч в воде, %
Береза
0,63
44
85
50
0,5-0,6
70-80
Береза
0,9
100
180
90
0,21
3-6
(предлагаемая)
модифицированная
Осина
0,47
28
75
36
1,2
70-95
Осина (предлагаемая)
0,9
100
140
100
0,35
3-6
модифицированная
Дуб
0,65
34
98
64
0,7-0,9
70-80
Дуб (предлагаемый)
0,89
120
166
110
0,15-0,3
2,4-4,0
модифицированный
3
Введение в состав полимеризационно-пропиточный раствор наночастицы Al(OH) или раствора «Fiberline 489» способствует поглощению свободных фенолов, что позволяет отнести данную модифицированную полимером древесину к 4 категории опасности. Анализ полученных результатов показал, что лучшие результаты получены при пропитке древесины модификатором АЦФ по предлагаемой технологии для всех испытанных пород древесины. Показатель предела прочности при сжатии вдоль волокон древесины натуральной соответствует для березы 50 МПа, осины 36 МПа, дуба 64 МПа, прочность древесины березы после пропитки и полимеризации составляет 100-130 МПа, осины 100-120 МПа и дуба 110-126 МПа.
Прочность древесины дуба модифицированного по предлагаемой технологии увеличилась на 38% по сравнению с модификацией по прототипу и на 72% по сравнению с контрольным. Осина, модифицированная по предлагаемой технологии, увеличила прочность на сжатие по сравнению с модификацией по прототипу на 64% и по сравнению с природной древесиной на 177%.
Береза, модифицированная по предлагаемой технологии, увеличила прочность на сжатие по сравнению с модификацией по прототипу на 29%, а по сравнению с природной древесиной на 80%.
Влагопоглощение в воде модифицированной древесины за 24 часа не превышает 2-8% для всех исследуемых пород древесины по сравнению с 70-80% влагопоглощением природной древесины.
Литература
1. Патент: 2147028; Класс(ы) патента: C09K 21/04, C09D 5/16, B27K 3/52, B05D 7/06; Номер заявки: 99106231/04; Дата подачи заявки: 06.04.1999; Дата публикации: 27.03.2000.
2. А.С. СССР 2065355; МКИ B27K 3/34, B27K 3/50, 1996;
Патент: 2065355; Класс(ы) патента: B27K 3/34, B27K 3/50;
Номер заявки: 5055017/04; Дата подачи заявки: 22.05.1992;
Дата публикации: 20.08.1996.