Способ изготовления древесного нейтронозащитного материала
METHOD FOR MANUFACTURING WOOD NEUTRON SHIELDING MATERIAL

Изобретение относится к производству древесных нейтронозащитных материалов, используемых для защиты биологических объектов от излучения нейтронов, генерируемых установками ядерной энергетики, и может быть применено в способе его изготовления.
В уровне техники известен материал «Neutrostop» на основе борированного полиэтилена (Проспект CS EXPORT KOVO «Neutrostop»). Недостатками известного материала являются: падение прочности и выделение токсичных газов при нагреве до 80°С, сложная технология изготовления, высокая стоимость.
В уровне техники известны способы изготовления нейтронозащитных материалов путем введения в материал-основу бора или боросодержащих компонентов. Известна и возможность использования в качестве материала-основы древесины (Бирман А.Р., Белоногова Н.А., Леонова О.Н., Веселовский А.Н.  Новый нейтронозащитный материал. СПб.: Известия СПбГЛТА, вып. 172, СПбГЛТА, 2005, с.122-130).
Анализ литературных источников, содержащих сведения именно о древесных нейтронозащитных материалах, показал, что наиболее трудной задачей при их изготовлении является борирование древесины пропиткой.
Это объясняется тем, что анатомическое строение этого природного полимера (древесины) представляет из себя сложную капиллярно-пористую структуру с низкой проницаемостью для любой вводимой в эту структуру жидкости. Сложность указанной структуры древесины является и препятствием равномерного распределения боросодержащей пропиточной жидкости по объему древесины, что является обязательным при ее дальнейшем использовании в качестве нейтронозащитного материала. При этом процесс пропитки древесины резко усложняется с ростом размера обрабатываемых деталей в продольном направлении вдоль волокон древесины.
В уровне техники известен способ изготовления древесных нейтронозащитных материалов на основе технологии, предложенной в авторском свидетельстве СССР «Способ обработки древесины» № 1625695.
Недостатком способа является низкая производительность процесса пропитки древесины боросодержащими компонентами путем вымачивания. Известно, что скорость проникновения пропиточной жидкости при вымачивании древесины составляет вдоль волокон от 30 до 150 мм, поперек волокон от 0,2 до 3 мм в сутки (Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины. – М.: Лесн. пром-сть, 1990. -304 с. С.231.), и при этом не гарантировано равномерное распределение пропиточного состава по всему объему древесных образцов.
Наиболее близким к заявляемому способу изготовления древесных нейтронозащитных материалов с равномерным распределением боросодержащей пропиточной жидкости по всему объему древесины является «Способ изготовления нейтронозащитного материала». Патент RU 2157754 C1, опуб. 20.10.2000 г. – прототип.
Недостатками прототипа являются: сложность и  металлоемкость используемого оборудования при пропитке древесины способом центрифугирования заготовок; невозможность сквозной пропитки длинномерных древесных образцов как способом центрифугирования, так и методом  электроосмотического переноса жидкости; при использовании метода  электроосмотического переноса жидкости возможна только поштучная обработки древесных образцов; пропитка образцов осуществляется в основном вдоль волокон древесины с торцов ее образцов, что резко снижает производительность процесса; сложность пропитки древесины хвойных пород; способ пропитки может быть осуществлен только на специализированном нестандартном оборудовании, обслуживание которого требует высокой профессиональной подготовки.
Технической задачей предлагаемого технического решения является: создание нового способа изготовления древесных нейтронозащитных материалов с равномерным распределением  боросодержащей пропиточной жидкости по всему объему древесины на базе серийного оборудования - автоклавов; обеспечение пропитки образцов как с торцов, так и в радиальном направлении, что резко повысит производительность процесса пропитки; обеспечение сквозной пропитки древесины как лиственных, так и хвойных пород; обеспечение возможности применение группового способа обработки.
2
2
max
min
Поставленная задача достигается тем, что в способе, включающем пропитку цельной древесины равномерно по всему объему боросодержащими препаратами, древесину размещают в автоклаве с открытой герметизирующей крышкой и подвергают предпропиточной обработке сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением с энергией от 1 до 2,4 Вт/сми частотой 915 ±15 МГц до момента достижения температуры древесины 90 °С и снижения ее влажности до 25-30%, затем осуществляют герметизацию автоклава, подачу в автоклав пропиточной боросодержащей жидкости в объеме, обеспечивающем полное погружение древесины и создают в емкости автоклава вакуум в режиме импульсного вакуумирования с давлением 0,05-0,08 МПа до установления в камере стабильного, не изменяющегося во времени вакуума, выдерживают древесину в установившемся вакууме в течение 20-25 мин, после чего создают в емкости автоклава режим импульсного давления в диапазоне  Р = 0,8 МПа и  Р= 0,5 МПа до момента снижения скорости падения импульса давления до величины равной или меньшей  0,001 МПа/с, то есть до предельного поглощения древесиной пропиточного раствора, затем, открыв крышку автоклава, удаляют  оставшуюся пропиточную жидкость, сушат пропитанную древесину СВЧ излучением с энергией от 1 до 2,4 Вт/сми частотой 915 ±15 МГц до влажности 25-30%  и производят выгрузку древесины.
Способ имеет следующие отличия от прототипа:
- древесину размещают в автоклаве;
2
- древесину подвергают предпропиточной обработке сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением с энергией от 1 до 2,4 Вт/сми частотой 915 ±15 МГц  до момента достижения температуры древесины 90 °С и снижения ее влажности до 25-30%, а затем осуществляют герметизацию автоклава;
- создают в емкости автоклава вакуум, в режиме импульсного вакуумирования с давлением 0,05-0,08 МПа до установления в камере стабильного, не изменяющегося во времени вакуума и выдерживают древесину в установившемся вакууме в течение 20-25 мин;
max
min
- создают в емкости автоклава режим импульсного давление в диапазоне  Р = 0,8 МПа и Р= 0,5 МПа до момента снижения скорости падения импульса давления до величины равной или меньшей 0,001 МПа/с, то есть до предельного поглощения древесиной пропиточного раствора;
2
- открыв герметизирующую крышку автоклава, удаляют оставшуюся пропиточную жидкость и сушат пропитанную древесину СВЧ излучением с энергией от 1 до 2,4 Вт/сми частотой 915 ±15 МГц до влажности 25-30%.
Это позволит обеспечить: равномерное распределение боросодержащей пропиточной жидкости по всему объему древесины; использовать серийное оборудование - автоклав; пропитку образцов преимущественно в радиальном направлении; повышение производительности процесса пропитки; сквозную пропитку древесины как лиственных, так и хвойных пород; возможность применение группового способа обработки.
Способ выполняют следующим образом.
2
Штабель лесоматериалов (в виде досок или круглых лесоматериалов), размещенный на грузовой тележке, перемещают  в автоклав с открытой герметизирующей крышкой и подвергают предпропиточной микроволновой обработке СВЧ излучением с энергией от 1 до 2,4 Вт/сми частотой 915 ±15 МГц, нагревая древесину до температуры 90 °С. За счет такой обработки вода и смолы в клетках внутреннего объема древесины начинает испаряться. Под воздействием избыточного давления паровоздушной смеси мембраны клеток, мембраны сосудов и слабые лучевые клетки древесины разрываются, образуя дополнительные проходы для распространения жидкостей и газов, происходит разрушение и удаление остатков протопласта в полостях паренхимных клеток сердцевинных лучей, происходит эффективное очищение всей капиллярной системы древесины. В результате на базе разрушенных клеток сердцевинных лучей формируются проходы в радиальном направлении древесины, то есть к ее поверхности, а общая целостность древесины сохраняется.
Через радиальные проходы и полости легко проходит воздух, вода и смолы (что особенно важно для древесины хвойных пород). Поэтому штабель с древесиной естественной влажности на этом этапе сравнительно быстро высушивается до влажности 25-30%, частично дегазируется и оказывается хорошо подготовленным к последующей сквозной пропитке.
Следует отметить, что выбранный режим СВЧ обработки при расположении на двух боковых стенках автоклава волноводно-щелевых антенн, передающих энергию магнетрона равномерно всему объему помещенной в автоклав древесины, позволяет обрабатывать штабель шириной до 0,6 метра без разрушения древесины. Увеличение частоты и интенсивности излучения выше указанных величин, как показали экспериментальные исследования, приводит к уменьшению проницаемости древесины и образованию недопустимых трещин вдоль основных древесных тканей. Уменьшение указанных параметров не обеспечивает необходимую степень разрушения древесной ткани и очищения полостей древесины.
По завершении этапа сушки и частичной дегазации древесины автоклав герметизируют и заполняют его боросодержащим пропиточным раствором в объеме, обеспечивающем полное погружение штабеля лесоматериалов.
Затем в автоклаве (с помощью вакуумного ресивера) создают режим импульсного вакуумирования с давлением 0,05-0,08 МПа до установления в камере стабильного, не изменяющегося во времени вакуума, выдерживают древесину в установившемся вакууме в течение 20-25 мин, что, за счет пневмоударов, приводит к дегазации пропиточного раствора и дальнейшей дегазации древесины. Указанный режим способствует дальнейшему увеличению степени проницаемости древесины.
max
min
На следующем этапе (с помощью жидкостного насоса или воздушного компрессора) создается режим импульсного давления в диапазоне  Р = 0,8 МПа и  Р= 0,5 МПа, причем импульс давления автоматически повторяются до момента снижения скорости падения импульса давления до величины, равной или меньшей  0,001 МПа/с. На этом этапе происходит полное проникновение боросодержащего пропиточного раствора и его равномерное распределение в древесине.
2
По завершению пропитки оставшийся пропиточный раствор удаляют из автоклава и проводят сушку пропитанного штабеля древесины СВЧ излучением с энергией от 1 до 2,4 Вт/сми частотой 915 ±15 МГц до влажности 25-30% и выгружают готовую продукцию из автоклава.
Экспериментальная проверка предлагаемого способа осуществлялась на промышленной установке, изготовленной ООО «Научно-производственное предприятие «Технологии деревообработки», г. Зеленогорск Красноярского края следующим образом.
Образцы древесины в виде досок хвойных и лиственных пород длиной до 4 м подвергали пропитке насыщенным при температуре 40 °С раствором борной кислоты, окрашенным нейтральным водорастворимым красителем (2% раствор перманганата калия). Оценку качества пропитки определяли по однородности окрашивания внутренних слоев древесины по всей длине, вскрытых путем продольного раскалывания образцов.
Результаты эксперимента показали равномерное окрашивание, а значит и равномерное распределение пропиточной жидкости как по поперечному сечению образцов, так и по всей их длине.
Сопоставительный анализ заявляемого способа и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого способа по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
Наличие отличительных признаков дает возможность получить ранее сформулированный положительный эффект.
Апробация способа по заявляемому изобретению на промышленной установке ООО «Научно-производственное предприятие «Технологии деревообработки», г. Зеленогорск Красноярского края обеспечивает ему соответствие критерию «промышленная применимость» и возможность использования при изготовлении древесного нейтронозащитного материала для защиты окружающей среды от ионизирующих излучений объектов ядерной энергетики.