Способ термической обработки древесины
METHOD OF THERMAL TREATMENT OF WOOD

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу термической обработки древесины.
Предпосылки создания изобретения
Как будет показано ниже, в уровне техники предложены различные способы термической обработки древесины. Цель обработки древесины путем термической обработки заключается в том, что, как давно известно, с помощью обработки древесины в условиях специфического температурного режима, при увеличении температуры в течение некоторого периода времени и после этого снижении температуры до температуры окружающей среды, древесина приобретает некоторые улучшенные качества. Например, улучшаются долговечность и изолирующие свойства пиломатериала. Лабораторные испытания показали, что это происходит благодаря структурной перестройке молекулярной структуры древесины, так что древесина, имевшая более или менее случайную структуру молекулярных волокон, благодаря термической обработке реорганизуется так, чтобы иметь более упорядоченную и линейную структуру волокон на молекулярном уровне, что и обеспечивает улучшенные характеристики.
Эти аспекты ясно изложены и обсуждены в "Thermo Wood Handbook", опубликованном Финской ассоциацией по термообработке древесины в 2003. Эту книгу считают общепринятым руководством по термообработке древесины. Согласно описанию, способ разделяют на три фазы, где древесину, которую помещают в камеру обработки, подвергают росту температуры внутри камеры обработки в две стадии: сначала до температуры примерно 100°С в течение первого периода и после этого до температуры примерно 130°С в течение второго периода.
Цель первой стадии состоит в просушке древесины и эта стадия длится примерно 36 часов. На второй стадии температуру дополнительно увеличивают до 185°С-250°С.
Повышенную температуру поддерживают в течение примерно 16-17 часов для того, чтобы подвергнуть древесину способу модификации, как описано выше.
Наконец, на третьей стадии проводят охлаждение и стадию выдержки во влажной атмосфере, где, как только температура упала ниже 80-90°С, происходит восстановление влажности древесины, так что содержание влаги в обработанной и готовой древесине находится в диапазоне 4-10% масс.. Третья стадия в зависимости от типа обрабатываемой древесины обычно составляет 18-28 часов.
Способ, описанный выше, с некоторыми модификациями раскрыт, например, в ЕР 2 998 087. Согласно способу в ЕР 2 998 087, древесину вводят в камеру обработки, где температуру увеличивают до 173°С и поддерживают в течение 3-5 часов. После этого температуру понижают до примерно 20°С и перемещают древесину в автоклав. В автоклав вводят льняное семя и минеральное масло и обеспечивают пропитку древесины, которая при этом становится пропитанной.
Древесина в основном состоит из трех разных компонентов, а именно: гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина. Эти материалы имеют разные характеристики и, как таковые, они по-разному реагируют во время термообработки. Гемицеллюлоза особенно отличается тем, что в первой части нагревания образца древесины модификация гемицеллюлозы является эндотермической, что означает, что тепло передается и поглощается древесиной до тех пор, пока не будет достигнута специфическая температура.
Эта специфическая температура зависит от типа древесины и, следовательно, от содержания гемицеллюлозы, которое зависит от породы древесины и условий произрастания конкретного вида, а также от содержания воды и давления, но обычно составляет примерно 230°С.
При этой температуре модификация гемицеллюлозы изменяется с эндотермического процесса на экзотермический процесс, то есть генерируется больше энергии, чем добавляется к гемицеллюлозному компоненту древесины. В то же время целлюлоза будет модифицирована, но все еще будет подвергаться модификации. Обычно целлюлозная часть образца древесины будет существенно больше, чем гемицеллюлозная часть, и такая существенная часть древесины была модифицирована на этой стадии.
Со способами и методами уровня техники связан, однако, ряд недостатков.
Во-первых, процедура занимает очень много времени, тем самым снижая выход перерабатывающего предприятия. Обычно обработка партии древесины в соответствии со способами предшествующего уровня техники занимает от 24 часов до 36 часов в зависимости от древесины и насколько интенсивно проходит процесс модификации.
Очень долгое время способа и, тем самым, низкий выход механической обработки, естественно, увеличивает стоимость модифицированной древесины из-за долгого времени способа. Кроме того, в традиционных способах модификации используют водяной пар и перегретый водяной пар для увеличения тепла внутри древесины и, тем самым, активируют процесс модификации. Так как внутри древесины уже есть влага и древесина не является абсолютно однородной, распределение влаги внутри древесины будет неравномерным и при этом древесина может не иметь полностью однородной структуры.
Это вызывает проблемы с качеством обработанной древесины из-за того, что внутри древесины нагревается влага, образуется водяной пар и из-за изменений как в содержании влаги, так и в структуре древесины, а также из-за изменений плотности обрабатываемой древесины внутреннее давление внутри древесины, возникшее вследствие нагревания, будет являться причиной возникновения трещин и других негативных побочных эффектов во время обработки. Так как в камере обработки существует относительно высокое давление водяного пара, результирующее давление внутри древесины не может медленно рассеиваться, и в конечном итоге станет причиной небольшого взрыва водяного пара, что может вызвать растрескивание или другие повреждения. В то же время может происходить искажение цвета поверхности.
Для улучшения данной ситуации, в JP 2013180460 было предложено заменить воздух и водяной пар внутри камеры обработки атмосферой диоксида углерода в сверхкритическом состоянии. Диоксид углерода в сверхкритическом состоянии определяют в указанном документе как диоксид углерода выше критической точки, которая, в соответствии с описанием, составляет 31°С при 7,4 МПа.
Когда диоксид углерода находится в сверхкритическом состоянии, он действует подобно жидкости и, как таковой, вкупе с очень высоким давлением (выше 7,4 МПа (выше 74 бар)), заменяет влагу внутри структуры древесины. Для удаления влаги из древесины необходимо дополнительно нагреть сверхкритическую атмосферу диоксида углерода для превращения влаги, обычно воды, из ее жидкого состояния в газообразное состояние, т.е. водяной пар. Это, в свою очередь, приводит к еще большему увеличению давления. Следовательно, этот способ имеет ряд недостатков: во-первых, сосуд, в котором должны осуществлять способ, должен быть чрезвычайно прочным для того, чтобы выдержать чрезвычайно повышенное давление внутри камеры обработки.
Кроме того, любое образование водяного пара под действием столь высокого давления будет иметь заметное отрицательное влияние на любые несовершенства, такие как трещины, сколы и т.п., в древесине, в результате чего происходит растрескивание или расщепление древесины.
Задача изобретения
Следовательно, существует необходимость в способе, более быстром и имеющем улучшенные характеристики в отношении долговечности, по сравнению со способами предшествующего уровня техники.
Описание изобретения
Настоящее изобретение решает указанную проблему путем обеспечения способа термической обработки древесины, включающего следующие стадии:
a) размещение партии обрабатываемой древесины в камере обработки;
b) смена атмосферы внутри камеры обработки путем откачивания воздуха, замены откачанного воздуха на атмосферу инертного газа в газообразном состоянии при давлении 0,8-1,2 МПа (8-12 бар);
c) нагревание атмосферы инертного газа до 165-175°С,
d) повышение давления в атмосфере инертного газа до 1,4-1,6 МПа (14-16 бар);
e) сохранение температуры на стадии с) и давления на стадии d) в течение 90-150 минут;
f) охлаждение атмосферы инертного газа до температуры 20-35°С;
g) извлечение партии обработанной древесины.
В этом способе внутри камеры обработки поддерживают относительно низкое давление.
В то же время, при замене атмосферы, содержащей водяной пар, на атмосферу, содержащую атмосферу инертного газа, и в частности в предпочтительном воплощении, где инертный газ представляет собой азот, значительно возрастают возможности теплообмена между атмосферой при обработке и древесиной. Возможности теплообмена водяного пара относительно низкие вплоть до примерно 140°С, тогда как, например, для азота, его возможности теплообмена по существу постоянны во всем температурном интервале и в то же время намного лучше, чем в случае водяного пара.
Следовательно, можно нагревать атмосферу и тем самым древесину внутри камеры обработки намного быстрее, и процесс нагревания ограничивается только доступным устройством для нагревания газа и способностью тепла проходить через древесину так, чтобы температура в толще древесины достигала желательной температуры обработки.
Кроме того, поскольку не добавляют водяной пар, давление водяного пара отсутствует, и любая влага, присутствующая в древесине, будет просто замещаться и поглощаться атмосферой инертного газа, не вызывая взрывов водяного пара или других процессов расширения водяного пара. Кроме того, из-за разницы между влагой/водяным паром, присутствующими в древесине, и инертным газом, предпочтительно азотом, достигается то, что по существу вся вода, составляющая содержание влаги в древесине, заменяется инертным газом, т.е. удаляется из древесины. В то же время, благодаря увеличению температуры улучшаются процессы модификации, описанные выше, особенно в отношении гемицеллюлозы и целлюлозы.
Так как газ после процесса модификации является тем же и обладает теми же возможностями теплообмена, можно также охлаждать камеру обработки и тем самым древесину очень быстро так, чтобы провести полный цикл усовершенствованного способа за минимальное время процесса. Вместо 36-68 часов традиционного времени обработки, настоящее изобретение обеспечивает осуществление полного цикла обработки, который занимает примерно 5-6 часов.
В дополнительном преимущественном воплощении, способ на стадии с) и d) вместе занимает 90-110 минут. Эти стадии можно проводить одновременно или как независимые этапы в зависимости от доступного технологического оборудования и того, как достигается повышение температуры и как достигается повышение давления. Несмотря на то что при замене атмосферы атмосферой азота получают очень хороший коэффициент теплообмена, все же необходимо ограничивать увеличение тепла, чтобы не создавать проблем, связанных с коэффициентами теплового расширения и т.п..
В еще одном преимущественном воплощении, можно применять минеральное или органическое масло для пропитки древесины. Так как древесина в этот момент полностью сухая, вся влага была заменена инертным газом/азотом, можно провести очень глубокую масляную пропитку древесины и тем самым достичь очень хорошего консервирующего эффекта.
Конечно, минеральное или органическое масло нужно выбрать так, чтобы размер и структура молекул оказались подходящими и могли проникать в структуру древесины, которая отличается от вида к виду, и в то же время минеральное масло может быть модифицировано различными соединениями для получения эффекта долговечности, фунгицидных свойств и т.д..
В другом альтернативном воплощении можно применять пропитывающее средство. Основой пропитывающего средства может являться любой основной материал, например, в уровне техники известны пропитывающее средство на водной основе, пропитывающие средства, свободные от других растворителей, или даже пропитывающие средства на основе растворителя.
Описание чертежей
Далее изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, где
на Фиг. 1 показано, как очень медленно повышается давление при температурах водяного пара ниже 140°С,
на Фиг. 2 используют инертный газ в сравнении с водяным паром,
на Фиг. 3а-3d показаны распечатки результатов способа по изобретению на разных стадиях в процессе способа.
Подробное описание изобретения
Как уже обсуждалось выше, изобретение имеет две основные цели: во-первых, сократить время цикла, т.е. время, которое необходимо для тщательной обработки партии древесины, и во-вторых, улучшить качество такой обработки так, чтобы партия древесины получала улучшенную обработку и с меньшим риском повреждения структуры древесины во время процесса обработки.
Путем замены традиционной атмосферы на основе воды, т.е. водяного пара, внутри камеры обработки инертным газом, можно разделить давление и температуру на стадиях нагревания и охлаждения. В способах предшествующего уровня техники давление создают в результате образования водяного пара при нагревании воды. Этот процесс занимает много времени, так как рост давления водяного пара не сопровождается ростом температуры. Требование к камере обработки состоит в том, что относительную влажность нужно поддерживать ниже 85% для того, чтобы исключить или минимизировать повреждение древесины. Эта задержка является причиной очень медленного повышения давления в зависимости от температуры, особенно, при низких температурах. В то же время требуется относительно высокое потребление энергии.
На Фиг. 1 показано, как очень медленно повышается давление при температурах водяного пара ниже 140°С. В температурном диапазоне от 30°С до 140/170°С, где происходит большинство процессов нагревания и охлаждения в способе по изобретению и, как можно видеть, возникает существенная разница в способности инертного газа к теплообмену с древесиной по сравнению с водяным паром (по меньшей мере в пределах конкретного диапазона температур). Так как повышение температуры и давления не связано с инертным газом, можно нагревать и охлаждать газ настолько быстро, насколько это позволяет система, и отдельно регулировать давление внутри камеры обработки.
Применение инертного газа по сравнению с водяным паром также увеличивает теплообмен с древесиной так, что она нагревается быстрее. Это проиллюстрировано на Фиг. 2, где ясно, что скорость обмена энергией между водяным паром и древесиной в сравнении с азотом и древесиной заметно лучше в случае азота и поэтому можно передавать/обменивать тепло с более высокой скоростью при использовании азота (или инертного газа), чем при использовании водяного пара.
Как обсуждается выше, один из основных недостатков способов предшествующего уровня техники состоит в высоком риске образования трещин в обработанной древесине.
Эти трещины возникают в любой ситуации, когда разница между парциальным давлением внутри клеток древесины и во внешней среде является достаточно высоким для того, чтобы вызвать образование трещин. Для способов термообработки предшествующего уровня техники нужно помнить, что внутри древесины присутствует вода, обычно 10-14%. Так как атмосфера водяного пара и древесина нагреваются, давление водяного пара повышается и внутри, и снаружи древесины. Трещины обычно появляются в следующих ситуациях.
- На стадии нагревания, если относительная влажность атмосферы водяного пара вне древесины становится слишком низкой при нагревании атмосферы. В этом случае парциальное давление внутри древесины может стать больше, чем вне древесины. В зависимости от величины относительного избытка давления внутри древесины и других параметров, таких как вид древесины, могут возникать трещины.
- На стадии модификации, когда гидролиз гемицеллюлозы становится экзотермическим. В зависимости от вида древесины, толщины обрабатываемых досок, содержания влаги и других параметров, температура в сердцевине древесины быстро возрастает, обычно на 15-25°С выше температуры атмосферы окружающего водяного пара. Это может привести к существенной разности относительного давления, как показано на Фиг. 1. На Фиг. 1 давление водяного пара в закрытой системе показано в зависимости от температуры. Модификация в способах уровня техники обычно проходит при 180°С, что соответствует давлению 0,85 МПа (8,5 бар) при относительной влажности 85%. При 200°С давление составляет 1,32 МПа (13,2 бар). Поскольку экзотерма проявляется в центре древесины, относительное избыточное давление 0,47 МПа ((13,2-8,5) 4,7 бар) в центре древесины возникает очень быстро. Такая термодинамика, формируемая экзотермой гемицеллюлозы, является основной причиной возникновения потенциальных трещин и проблем с качеством в способах теплообработки предшествующего уровня техники.
- На стадии охлаждения, если градиент температуры в древесине становится слишком крутым. Как показано на Фиг. 1, если атмосферу водяного пара охлаждать слишком быстро, особенно в начале стадии охлаждения, когда температура еще слишком высока, относительное давление водяного пара быстро падает по сравнению с еще горячим центром древесины. В этом случае относительное избыточное давление может возрастать в древесине, что приводит к образованию трещин.
- Было обнаружено, что, помимо трещин, присутствие водяного пара также вызывает другие проблемы с качеством, такие как водяные разводы и обесцвечивание от конденсатов.
Все из указанных выше недостатков, связанных с термодинамикой парциального давления, в способах уровня техники эффективно устраняются с помощью настоящего изобретения двумя способами.
- На начальной стадии создания разрежения и понижения давления атмосферный воздух с содержанием в нем кислорода удаляют из клеток древесины и заменяют атмосферой жидкого азота при 1,0 МПа (10 бар). При 1,0 МПа (10 бар) температура кипения воды составляет примерно 180°С, так что вода в древесине находится значительно ниже своей температуры кипения. При 180°С давление азота увеличилось примерно до 1,5 МПа (15 бар), так что вода в древесине все еще находится ниже своей температуры кипения. Таким образом, вода, присутствующая в древесине, находится значительно ниже своей температуры кипения во время всего процесса, так что не может произойти существенного роста парциального давления водяного пара по мере роста температуры.
- В отношении экзотермы гемицеллюлозы, азот не будет создавать существенного повышения парциального давления внутри древесины, так как температура в центральной части увеличивается. На Фиг.Y ниже ясно показано, что, хотя давление водяного пара увеличивается экспоненциально в области высокой температуры, давление азота увеличивается лишь незначительно линейным образом. Увеличение температуры в сердцевине древесины от 180 до 200°С приведет к избыточному давлению 0,07 МПа ((16,1-15,4) 0,7 бар) для азота по сравнению с 0,47 МПа (4,7 бар) для водяного пара.
На Фиг. 3a-3d, показывающих распечатки результатов для способа по изобретению на разных стадиях осуществления способа, в явном виде проиллюстрированы технические результаты настоящего изобретения.