СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПРЕССОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD OF PRODUCING MODIFIED COMPRESSED WOOD

Изобретение относится к области деревообработки, в частности к получению модифицированной прессованной древесины, насыщенной металлами и металлосодержащими веществами и используемой в машиностроении, строительстве, мебельной и других отраслях промышленности.
Известен способ получения метализированно-стабилизированной древесины (С.И.Карпович. Получение металлизировано-стабилизированной древесины и ее основные физико-механические характеристики.// Материалы всесоюзного научно-технического совещания. Сб. «Пластификация и модификация древесины». Рига, Изд-во «Зинатне», 1970 г.).
Известный способ заключается в том, что вначале древесину вакуумируют до ее абсолютно сухого состояния, затем помещают в металлический расплав с температурой до 247°С и подвергают расплав давлению порядка 15…30 ати. В результате указанных операций древесина с сухим остатком смолы 35% поглощает до 200% металла к весу образцов в абсолютно сухом состоянии.
Таким же способом получают металло-прессованную древесину (Ю.В.Гнусов, М.С.Мовнин, Г.В.Берзиньш. К теории модификации прессованной древесины.// Сб. «Пластификация и модификация древесины». Рига. Изд-во «Зинатне», 1970 г.).
К недостаткам известного способа относятся: высокая энергоемкость технологии (на создание расплава и давления), применение для пропитки древесины только легкоплавких металлов (олово, свинец), распрессовывание древесины при вымачивании, так как клетки древесины не пропитываются металлом и металл не обладает достаточными адгезионными свойствами к древесине, а при охлаждении в результате усадки металла появляются мельчайшие трещины, что создает пористость и способность древесины сорбировать воду из окружающей среды.
Наиболее близким прототипом является способ изготовления модифицированных твердых плит из опилок, а также древесного волокна без связующих (А.И.Калниньш, Т.А.Дарзиньш, Г.В.Берзиньш, А.Д.Юкна. Получение новых видов древесных материалов химико-механическим способом. // Сб. «Пластификация и модификация древесины». Рига. Изд-во «Зинатне», 1970 г.). В известном способе на измельченную древесину воздействуют водным раствором аммиака (или газообразным) с целью образования водорастворимых веществ, обладающих клеящими свойствами. Затем древесину подвергают горячему прессованию, в процессе которого водорастворимые вещества претерпевают химические изменения, роговеют и превращаются в труднорастворимые в воде продукты, стабилизирующие и прочно склеивающие частицы древесины.
Недостатком известного способа является то, что полученные этим способом изделия обладают ограниченным ассортиментом свойств.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат, повышение качества, расширение ассортимента и свойств модифицированной металлизованно-прессованной древесины.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения модифицированной прессованной древесины, заключающемся в том, что измельченную древесину (пресс-материал) пропитывают водным раствором аммиака (или газообразным аммиаком), а затем подвергают горячему прессованию, перед пропиткой пресс-материала водным раствором аммиака (или газообразным аммиаком) и дальнейшим горячим прессованием его насыщают металлами и металлосодержащими веществами электрохимическим методом, для чего пресс-материал помещают в контейнер-матрицу из диэлектрического материала с сетчатым дном, подпрессовывают металлическим электродом-пуансоном давлением порядка 5-10 МПа и погружают контейнер-матрицу в емкость с электролитом вначале полностью, а затем приподнимают, чтобы нижняя часть пресс-материала была заглублена в электролит на 20-40 мм, подключают внешнее напряжение постоянного тока, создавая электрическое поле между пуансоном и электролитом, а после насыщения пресс-материала металлами и металлосодержащими веществами отключают напряжение, производят отжим электролита и переносят контейнер-матрицу в ванну с водным раствором аммиака или в камеру с газообразным аммиаком, затем меняют в контейнере-матрице сетчатое дно на сплошное и производят горячее прессование, если форма контейнера-матрицы соответствует форме готового изделия, или производят выгрузку обработанного пресс-материала из контейнера-матрицы и подвергают горячему прессованию в других пресс-формах, если обработанный пресс-материал является только полуфабрикатом.
В заявляемом способе операции обработки древесины проводят в следующей последовательности: отходы деревообработки (опилки, древесные волокна и стружки) насыщают металлами и металлосодержащими веществами с помощью электрохимической обработки, а затем отжимают, обрабатывают аммиаком и подвергают горячему прессованию. При этом все операции с пресс-материалом проводят в одном и том же контейнере-матрице (без перегрузки), когда форма контейнера-матрицы соответствует форме готового изделия из металлизованной и прессованной древесины. При горячем прессовании в других пресс-формах перегрузку осуществляют после операции обработки пресс-материала аммиаком.
Способ получения модифицированной металлизованно-прессованной древесины поясняется чертежом, на котором изображена установка для металлизации измельченной древесины электрохимическим способом:
1 - измельченная древесина (пресс-материал); 2 - диэлектрический контейнер-матрица; 3 - электропроводная емкость; 4 - электролит; 5 - металлический электрод-пуансон; 6 - направление усилия прессования.
Способ осуществляется следующим образом.
Отходы деревообработки в виде опилок, древесных волокон или стружки -измельченную древесину (пресс-материал) 1 - загружают в контейнер-матрицу 2 из диэлектрического материала с сетчатым дном и подпрессовывают металлическим электродом-пуансоном 5. Контейнер-матрицу 2 вначале полностью погружают в емкость 3, выполненную из токопроводящего материала и наполненную электролитом 4, а затем приподнимают так, чтобы нижняя часть пресс-материала была заглублена в электролит на 20…40 мм. Емкость 3 с электролитом 4 представляет собой электрохимический электрод. Металлический электрод-пуансон 5 по размерам соответствует поперечному сечению контейнера. К электродам подводят постоянный ток. За счет процессов электроосмоса, электрофореза, электростенолиза и электролиза происходит пропитка и насыщение пресс-материала 1 металлами и металлосодержащими веществами, вводимыми в электролит 4 (например, медный купорос, алюминиево-хромовые квасцы, сернокислое железо, хлористый алюминий, азотно-кислое серебро и другие), а также образующимися в процессе электрохимической обработки.
Электрохимическая металлизация происходит на ионном уровне в отличие от пропитки древесины расплавленным металлом. Целлюлоза поглощает из водных растворов многовалентные катионы в виде гидроокисей металлов. В результате происходит снижение отрицательного заряда или перезарядка молекул целлюлозы, которые, будучи первоначально заряжены отрицательно, становятся электронейтральными и в этом состоянии обладают пониженной гигроскопичностью и меньшей склонностью к разбуханию.
Затем после отжатия избытка электролита 4 из пресс-материала 1 контейнер-матрицу помещают в ванну с водным раствором аммиака или подвергают обработке газообразным аммиаком. В результате этого в древесине образуются водорастворимые вещества, обладающие клеящими свойствами, которые в дальнейшем процессе горячего прессования претерпевают химические изменения, роговеют и превращаются в труднорастворимые в воде продукты, стабилизирующие и прочно склеивающие частицы древесины.
В случае, когда контейнер-матрица по форме соответствует готовому изделию, горячее прессование осуществляют в том же контейнере-матрице, в котором проводились предыдущие операции. Для этого сетчатое дно контейнера-матрицы меняют на сплошное. При необходимости получения изделий горячим прессованием в других пресс-формах, пресс-материал перегружают в эти пресс-формы после обработки его аммиаком. До горячего прессования он будет считаться полуфабрикатом.
В качестве примера модифицирования древесины по предлагаемому способу рассмотрим два варианта электролита:
4
1. Электролит CuSO (сульфат меди (II)). Для достижения положительного эффекта при модифицировании и с целью экономии концентрацию этого вещества можно варьировать в пределах 0,1-0,2 моль/л. Диссоциация в воде происходит по уравнению:
Конкурирующие электродные реакции на отрицательном полюсе (катоде) в капиллярах древесины:
Электродная реакция на положительном полюсе (нерастворимом аноде):
Необходимо учесть, что медь образует нерастворимый гидроксид:
2+
4
2
4
Реакция (6) развивается в капиллярах древесины, что приводит к связыванию катионов Сu в нерастворимый гидроксид. Чтобы снизить вероятность протекания реакции (6) и повысить вероятность протекания реакции (4), раствор электролита CuSO подкисляют HSO (0,2 экв/л). В кислой среде происходит связывание гидроксид-ионов по реакции:
Вначале металлическая медь образуется на поверхности пресс-материала, контактирующей с катодом. Затем постепенно, за счет электронной проводимости металла, зона протекания реакции (4) распространяется вглубь образца и кристаллы металла образуют свою собственную структуру внутри пресс-материала от отрицательного электрода к положительному.
3
3
2. Электролит AgNO (нитрат серебра (I)). Для достижения положительного эффекта и с целью экономии концентрацию этого вещества можно варьировать в пределах 0,05-0,15 моль/л. Уравнение электролитической диссоциации AgNO:
+
Учитывая высокое положительное значение стандартного электродного потенциала пары Ag/ Ag (+0,80B), можно говорить о преобладании на катоде реакции восстановления серебра:
Протеканию реакции (9) не препятствует образование гидроксида AgOH, поскольку это вещество является растворимым.
Образование металлического серебра и его распространение вглубь материала происходит точно так же, как и металлической меди.
Заявляемый способ обладает следующими достоинствами:
1. Металлизация и обработка измельченной древесины аммиаком повышают ее плотность, что позволяет снизить удельное давление при горячем прессовании в 2…3 раза без снижения прочности готовых изделий.
2. С помощью электрохимической обработки древесины появляется возможность насыщения ее металлами, более тугоплавкими, чем олово и свинец.
3. Возможность получения металлизованно-прессованной древесины с заданными свойствами: антифрикционностью, огнестойкостью, влагостойкостью, токопроводимостью, антисептичностью, твердостью, декоративностью и резонансностью.
4. Использование отходов деревообработки.
5. Использование древесины из мягколиственных пород деревьев (осины, ольхи, березы) взамен твердолиственных (дуб, карельская береза), запасы которых с каждым годом уменьшаются.
6. Обеспечение экологической безопасности и увеличение срока службы изделий за счет образования в древесине невымываемых металлов и металлосодержащих веществ.