Способ обработки древесины
WOOD PROCESSING METHOD

Изобретение относится к области деревообработки, в частности, к способам получения высокопрочных материалов, имеющих строение древесины.
Известен способ получения губчатого титана (Пат. РФ № 2145979; МПК С22В 34/12, С22В 5/04; опубл. 27.02.2000), включающий очистку тетрахлорида титана вакуумом, восстановление тетрахлорида титана магнием, очистку от газов распылением и улавливанием в каплесборнике при постоянном перепаде давления 0,45-0,6 МПа и температуре от -20 до +50°С.
Недостатком данного способа является то, что по мере увеличения пористости и, соответственно, уменьшения плотности губчатого титана, пропорционально падает его прочность на сжатие и растяжение.
Известен способ производства стеклокристаллических пеноматериалов (Пат. РФ № 2451000; МПК С04В 38/02; опубл. 20.05.2012), включающий шликерную подготовку шихты с введением в нее 0,1-5% массы, содержащей не менее 25% карбида кремния, обезвоживание шихты до влажности 6-18%, сушку, скоростной обжиг при температуре до 1280°С, прессование в блоки и отжиг, причем перед отжигом блоки обмазывают огнеупорным ангобом.
Недостатком этого способа является то, что по мере увеличения пористости и, соответственно, уменьшения плотности стеклокристаллических пеноматериалов, пропорционально падает их прочность на сжатие и растяжение.
Известен способ получения модифицированной древесины (Пат. РФ № 2401195; МПК В27К 3/50, В27К 3/14, В27К 5/04, В27К 5/06, B27N 7/00; опубл. 10.10.2010), включающий пропитку заготовки, сушку и термообработку. Пропитку заготовок осуществляют 30-40%-ным водным раствором карбамида, содержащим форконденсат карбамидоформальдегидного олигомера в количестве 10-12% от массы сухого карбамида. В пропиточный раствор добавляют отвердитель - карбамидоформальдегидную смолу марки ПКП-52 в количестве 21-25% от массы карбамидоформальдегидного олигомера. Далее заготовки высушивают при температуре 90°С до влажности 10-15%, после чего их спрессовывают поперек волокон под механическим давлением 0,6-1,0 МПа до степени прессования 30% и сушат в пресс-форме до влажности 4-5%. После этого на спрессованную древесину в течение 30 с воздействуют импульсным магнитным полем с амплитудой 0,5 Тл, частотой следования импульсов 50 Гц и длительностью треугольных импульсов по основанию 30 мкс. Термообработку проводят при температуре 140-160°С в течение 2-3 ч. Принят за прототип.
Недостатком данного способа является то, что он позволяет повысить формостабильность и прочность древесины, но не позволяет получить за счет использования древесины высокопрочный пористый материал.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокопрочного пористого материала на основе заготовок из древесины.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе обработки древесины, включающем пропитку заготовки, сушку и термообработку, согласно изобретению, пропитку заготовки древесины проводят гидрогелем силиката натрия - жидкое стекло, в автоклаве при температуре 18°С и давлении 10 атм. в течение 2-3 мин, после чего давление сбрасывают до атмосферного и повторяют цикл пропитки еще 5 раз, сушку заготовки осуществляют в термошкафу при температуре 100°С в начале сушки и 120°С в конце сушки до постоянной массы в течение 7-8 ч, после чего высушенную заготовку помещают в муфельную печь, заполненную аргоном, нагревают до температуры 205-230°С в течение 6-8 мин и охлаждают до комнатной температуры, затем заготовку помещают в автоклав, заполненный жидким титаном или жидким углестеклопластиком, и при температуре 550-600°С и давлении 10 атм. в течение 12 мин проводят вторую пропитку, после чего заготовку извлекают из автоклава, охлаждают, помещают на 2-3 ч в термостат с кипящей соляной кислотой с концентрацией 20% для удаления силиката натрия и промывают в течение 35 мин - 1 ч.
3
3
3
3
Технический результат состоит в следующем. Древесина относится к материалам средней прочности из-за невысокой плотности. Так, прочность на сжатие и растяжение древесины дуба примерно в 10 раз меньше прочности легированной стали. Однако приведенная прочность, то есть прочность, отнесенная к единице плотности, древесины любой породы всегда выше, чем у легированной стали, так как плотность древесины колеблется от 150 кг/м у бальзы до 1350 кг/м у бакаута. При этом пористость (содержание воздуха) колеблется от 90% у бальзы до 10% у бакаута, так как плотность самого древесного вещества составляет 1500 кг/м, тогда как у стали - 7800 кг/м. Причина высокой приведенной прочности у древесины заключается в том, что более половины прочности стволовой части дерева обеспечивается не за счет прочности самих волокон древесины, а за счет ажурности конструкции и взаимного расположения волокон.
В то же время, не считая алмаз и нанотрубки, существуют материалы, у которых и фактическая, и приведенная прочность выше, чем у древесины. К наиболее распространенным из них относятся титан и углестеклопластики. Поэтому одной из задач изобретения является соединение преимуществ древесины как конструкции с преимуществами высокопрочных материалов путем создания «дерева» из титана или углестеклопластиков.
Все известные древесные породы имеют примерно одинаковую приведенную прочность на сжатие и растяжение. Но существует порода древесины - ель, имеющая приведенную прочность на сжатие почти в 2 раза выше, чем остальные породы. В то же время древесина пихты имеет почти в 2 раза большую приведенную прочность на растяжение по сравнению с другими породами. Поэтому, в зависимости от функциональности будущего изделия, можно выбирать ту или иную породу древесины.
Первым этапом решения поставленной задачи является заполнение под давлением всех пустот древесной заготовки силикатом натрия - жидкое стекло, который, являясь гидрогелем и проникая в поры и сосуды древесины, не проникает в стенки клеток. После высушивания пропитанной заготовки при температуре 100-120°С получается заготовка, содержащая твердый силикат натрия, неповрежденные древесные волокна и практически не содержащая воздуха.
Вторым этапом является мягкое удаление древесного вещества путем низкотемпературного выжигания заготовки в муфельной печи.
Третьим этапом является заполнение под давлением образовавшихся в заготовке пустот жидким титаном или жидким углестеклопластиком с последующим отверждением при охлаждении.
Четвертым этапом является удаление твердого силиката натрия кипячением в соляной кислоте и получение ажурной конструкции, которая была у дерева, состоящей из титана или углестеклопластика.
Способ обработки древесины осуществляют следующим образом. Заготовку из древесины влажностью 3-6% пропитывают гидрогелем силиката натрия – жидкое стекло, до полного поглощения в автоклаве при температуре 18°С и давлении 10 атм. в течение 2-3 мин, после чего давление сбрасывают до атмосферного. Полное поглощение достигается после 6 циклов пропитки. После этого пропитанную заготовку высушивают в термошкафу при температуре 100°С в начале сушки и 120°С в конце сушки до постоянной массы в течение 7-8 ч. При этом силикат натрия переходит в твердое состояние, образуя жесткий каркас. Высушенную заготовку помещают в муфельную печь, заполненную аргоном, нагревают до температуры 205-230°С в течение 6-8 мин, в результате чего происходит выжигание древесины, и охлаждают до комнатной температуры. Такой температурный режим выжигания выбран в связи с тем, что при температуре ниже 200°С горения древесины не происходит, а при температуре выше 230°С происходит частичное разрушение заготовки. За счет того, что часть воздуха в муфельной печи замещается аргоном, обеспечивается мягкий режим выжигания. Затем заготовку, состоящую из твердого силиката натрия, помещают в автоклав, заполненный жидким титаном или жидким углестеклопластиком, и при температуре 550-600°С и давлении 10 атм. в течение 12 мин проводят вторую пропитку, после чего заготовку извлекают из автоклава и охлаждают. После охлаждения заготовки ее помещают на 2-3 ч в термостат с кипящей соляной кислотой с концентрацией 20% для удаления силиката натрия и промывают в течение 35 мин - 1 ч.
3
3
Пример 1. Заготовку из древесины пихты миловидной плотностью 360 кг/м и влажностью 3% размерами 120×120×300 мм (последний размер вдоль волокон) помещали в автоклав при температуре 18°С и пропитывали гидрогелем силиката натрия (жидкое стекло) при давлении 10 атм. в течение 3 мин, после чего давление сбрасывали до атмосферного и цикл пропитки повторяли еще 5 раз. После 6 циклов все поры и капилляры древесины полностью заполнялись силикатом натрия. Затем заготовку высушивали в термошкафу при температуре 100°С в начале сушки и 120°С в конце сушки до постоянной массы в течение 7 ч. Высушенную заготовку помещали в муфельную печь, заполненную аргоном, и нагревали до температуры 205°С, при которой происходило горение древесины. Через 6 мин горения древесина в образце полностью выгорала, и заготовка охлаждалась до комнатной температуры. Заготовка помещалась в автоклав, заполненный жидким титаном, и при температуре 600°С и давлении 10 атм. в течение 12 мин происходила пропитка заготовки жидким титаном. После этого заготовка извлекалась из автоклава, охлаждалась и помещалась в термостат с кипящей соляной кислотой с концентрацией 20% для удаления силиката натрия. После 2 ч кипячения и промывки водой в течение 1 ч заготовка состояла из чистого пористого титана с теми же размерами, что и исходная заготовка из древесины пихты. Пористость составила 57%, плотность - 1500 кг/м.
3
3
Пример 2. Заготовку из древесины ели плотностью 460 кг/м и влажностью 6% размерами 80×160×400 мм (последний размер вдоль волокон) помещали в автоклав при температуре 18°С и пропитывали гидрогелем силиката натрия (жидкое стекло) при давлении 10 атм. в течение 2 мин, после чего давление сбрасывали до атмосферного и цикл пропитки повторяли еще 5 раз. После 6 циклов все поры и капилляры древесины полностью заполнялись силикатом натрия. Затем заготовку высушивали в термошкафу при температуре 100°С в начале сушки и 120°С в конце сушки до постоянной массы в течение 8 ч. Высушенную заготовку помещали в муфельную печь, заполненную аргоном, и нагревали до температуры 230°С, при которой происходило горение древесины. Через 8 мин горения древесина в образце полностью выгорала, и заготовка охлаждалась до комнатной температуры. Заготовка помещалась в автоклав, заполненный жидким углестеклопластиком СТ 694/4, и при температуре 550°С и давлении 10 атм. в течение 12 мин происходила пропитка заготовки жидким углестеклопластиком. После этого заготовка извлекалась из автоклава, охлаждалась и помещалась в термостат с кипящей соляной кислотой с концентрацией 20% для удаления силиката натрия. После 3 ч кипячения и промывки водой в течение 35 мин заготовка состояла из чистого пористого углестеклопластика с теми же размерами, что и исходная заготовка из древесины ели. Пористость составила 63%, плотность - 750 кг/м.
В таблице 1 представлены свойства древесины пихты и ели, цельных титана и углестеклопластика и пористых титана и углестеклопластика, полученных по заявляемому способу.
Как видно из таблицы 1, приведенная прочность полученных пористого титана и пористого углестеклопластика уменьшилась незначительно по сравнению с цельными титаном и углестеклопластиком. Так же на 5-10% уменьшилась фактическая прочность при растяжении и сжатии пористого титана и пористого углестеклопластика, при этом более половины объема пористых материалов, полученных по заявляемому способу, составляет воздух, и, соответственно, их плотность уменьшилась более, чем вдвое.
Таким образом, заявляемый способ обработки древесины позволяет получить высокопрочный пористый материал на основе древесины, включающий в свой состав титан или углестеклопластик, и может найти применение в различных отраслях машиностроения, например, в самолетостроении.