ПРОДУКТ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
PRODUCT OF MODIFIED WOOD AND METHOD OF ITS PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу приготовления продукта модифицированной древесины. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу выполнения термической модификации, при котором термически модифицированная древесина подходит для использования под нагрузкой. Настоящее изобретение также относится к продукту модифицированной древесины, произведенному с использованием упомянутого процесса.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Многие виды древесины являются очень восприимчивыми к воздействиям внешней среды. Необработанная древесина, которая подвергается воздействию влаги и/или почвы в течение продолжительных периодов времени, будет разрушаться различными типами микроорганизмов или насекомых. Поэтому важно обрабатывать менее прочную древесину, чтобы повысить ее устойчивость к влаге и грибкам.
Существует множество различных методов обработки, повышающих стойкость древесины к биологическому разложению. Уже давно используется химическая обработка древесины с целью повышения ее биологической стойкости и прочности. Для этого используется множество различных химикатов. Эти химикаты обычно называют фунгицидами, и они обеспечивают длительную устойчивость к организмам, которые вызывают разложение древесины. Если их применять правильно, они могут увеличивать срок службы древесины до пяти - десяти раз.
Другим известным способом повышения стойкости древесины является обработка древесины при высоких температурах для термической модификации древесины. Наиболее распространенным способом является процесс Thermowood, в котором древесина обрабатывается перегретым паром при атмосферном давлении. Древесина сушится до степени абсолютной сухости при температуре вплоть до приблизительно 130°C, с последующим увеличением температуры до значений, требуемых для получения модификации, обычно 190°C - 212°C.
Термическая модификация уменьшает гигроскопичность древесины, приводя к более низкой равновесной влажности (EMC). Стойкость к биологическому разложению улучшается за счет комбинации уменьшенной EMC, что уменьшает количество влаги, доступной для грибков, и химических изменений, которые уменьшают возможность для грибков и бактерий размножаться на древесине. Уменьшение EMC также улучшает размерную стабильность древесины, позволяя получать меньшую усадку и меньшее разбухание. Одним недостатком термически модифицированной древесины является уменьшение прочности. В результате процесса модификации прочность на изгиб и поверхностная твердость уменьшаются, и древесина становится более хрупкой.
Из-за уменьшенной прочности древесины, которая была термически модифицирована согласно стандартным процедурам, такая древесина не рекомендуется для использования под нагрузкой.
Было предпринято несколько попыток уменьшения отрицательного влияния термической модификации на прочность, но все они были малоуспешными. В процессе Plato термическая обработка выполняется в двух отдельных стадиях, где первая обработка осуществляется в горячей воде при повышенном давлении, а затем выполняются сушка до степени абсолютной сухости и обработка древесины перегретым паром при высокой температуре.
Также было предложено делать фактическую термомодификацию при давлениях, отличающихся от атмосферного. Примером таких способов является, например, процесс Firmolin, в котором древесина обрабатывается паром при повышенном давлении. При обработке древесины при повышенном давлении химические реакции, такие как гидролиз, инициируются при более низких температурах, чем при атмосферном давлении. Противоположной попыткой является недавно разработанный процесс Termovuoto, в котором древесина обрабатывается под пониженным давлением или в вакууме.
С учетом ограниченный успех процессов текущего уровня техники существует потребность в улучшенном продукте модифицированной древесины, который не страдал бы уменьшенной прочностью на изгиб, традиционно связываемой с термически модифицированной древесиной.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Неожиданно было найдено, что при удалении воды из древесины при относительно низкой температуре перед подверганием древесины воздействию повышенных температур, требуемых для модификации древесины, нежелательное уменьшение прочности на изгиб может быть минимизировано, и обработанная древесина может даже быть подходящей для использования под нагрузкой.
Одной задачей настоящего изобретения таким образом является предложить термически модифицированную плотную древесину, которая являлась бы подходящей для использования под нагрузкой.
Другой задачей настоящего изобретения является предложить процесс для производства упомянутой модифицированной древесины эффективным образом.
Решение этих задач и другие преимущества достигаются с помощью продукта и процесса в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
Один вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой термически модифицированную плотную древесину, которая является подходящей для использования под нагрузкой. В одном варианте осуществления настоящего изобретения используется древесина сосны или ели.
2
Один вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой термически модифицированную плотную древесину, имеющую характеристическую прочность на изгиб по меньшей мере 18 Н/мм, измеренную в соответствии со стандартом EN408:2010 «Структуры древесины. Строительный лесоматериал и клееный ламинированный древесный материал. Определение некоторых физических и механических свойств». Характеристическая прочность на изгиб представляет собой значение 5-процентиля для соответствующей совокупности.
Один вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой термически модифицированную плотную древесину, которая является подходящей для использования под нагрузкой выше уровня земли в соответствии с Классом применения 3.1, как описано в европейском стандарте EN335:2013 «Консерванты для древесины. Тестовый метод для определения эффективности защиты от разрушающих древесину базидиомицетов».
Настоящее изобретение также относится к процессу для приготовления термически модифицированной плотной древесины, в котором древесина сушится до среднего влагосодержания меньше чем 5% при средней температуре древесины меньше чем 100°C, с последующим увеличением температуры древесины до уровня выше 140°C. Среднее влагосодержание может быть определено с использованием способов, известных в данной области техники. В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесина сушится до среднего влагосодержания меньше чем 4% при средней температуре древесины меньше чем 100°C, с последующим увеличением температуры древесины до уровня выше 140°C. В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесина сушится до среднего влагосодержания меньше чем 3% при средней температуре древесины меньше чем 100°C, с последующим увеличением температуры древесины до уровня выше 140°C.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения сушка выполняется в смеси воздуха, пара и других газов, или полностью в паре, или в текучей среде, такой как вода или масло.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения сушка выполняется при пониженном давлении. В одном варианте осуществления настоящего изобретения сушка выполняется под вакуумом или почти под вакуумом. В одном варианте осуществления настоящего изобретения сушка выполняется при повышенном давлении. В одном варианте осуществления сушка выполняется при абсолютном давлении ниже 1013 мбар. В одном варианте осуществления сушка выполняется при абсолютном давлении выше 1013 мбар. В одном варианте осуществления сушка выполняется при абсолютном давлении приблизительно 1013 мбар.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения энергия для сушки передается древесине через конвекцию циркулирующим воздухом, паром, газом, жидкостью или смесями этих сред.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения энергия для сушки передается древесине путем теплопередачи от контактирующего с древесиной горячего материала или посредством диэлектрического нагрева, такого как высокочастотный нагрев, с использованием радиоволн или микроволн.
Pinus sylvestris
Picea abies
В одном варианте осуществления настоящего изобретения обрабатываемая древесина является мягкой древесиной. В одном варианте осуществления настоящего изобретения обрабатываемая древесина является древесиной твердых пород. В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесина является древесиной . В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесина является древесиной .
В одном варианте осуществления настоящего изобретения обрабатываемая древесина сортируется перед стадией термической обработки, и древесина или доски с некоторыми характеристиками или свойствами включаются или исключаются из обработки в соответствии с настоящим изобретением.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесина, обрабатываемая в соответствии с настоящим изобретением, имеет класс прочности C18 или выше в соответствии с европейским стандартом EN338:2016 «Строительные лесоматериалы - классы прочности» перед обработкой.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесина, обрабатываемая в соответствии с настоящим изобретением, имеет класс прочности C22 или выше в соответствии с европейским стандартом EN338:2016 «Строительные лесоматериалы - классы прочности» перед обработкой.
2
В одном варианте осуществления настоящего изобретения доски, обрабатываемые в соответствии с настоящим изобретением, имеют минимальную локальную жесткость перед обработкой по меньшей мере 10 Н/мм при изгибе на их плоской стороне.
2
В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесина, обрабатываемая в соответствии с настоящим изобретением, имеет динамический модуль Юнга перед обработкой по меньшей мере 10 Н/мм.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1. Обычный план обработки в методе Thermowood D.
Фиг. 2. План специальной обработки в соответствии с настоящим изобретением. Древесина предварительно сушится при низкой температуре.
Фиг. 3. Жесткость и прочность на изгиб, определенные в соответствии со стандартом EN 408, для необработанных досок, досок, обработанных в соответствии с обычным планом обработки метода Thermowood D, и досок, обработанных в соответствии со специальным планом на основе настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Прочность на изгиб древесины, такой как термически модифицированная древесина в соответствии с настоящим изобретением, может быть измерена с использованием способов, известных в данной области техники. В частности, прочность на изгиб размерной древесины может быть измерена в соответствии со стандартом EN408 «Структуры древесины. Строительный лесоматериал и клееный ламинированный древесный материал. Определение некоторых физических и механических свойств». Результаты тестов в соответствии со стандартом EN 408 используются для определения характеристических значений в соответствии с европейским стандартом EN 384 «Строительные лесоматериалы - Определение характеристических значений механических свойств и плотности». Требования для различных классов прочности определены в европейском стандарте EN 338 «Строительные лесоматериалы - Классы прочности». Все эти стандарты известны специалистам в данной области техники.
Термическая модификация в соответствии с настоящим изобретением может выполняться на предварительно высушенной древесине, а также сырой, невысушенной древесине. Начальное влагосодержание древесины, используемой в процессе в соответствии с настоящим изобретением, обычно составляет по меньшей мере 10%. В одном варианте осуществления настоящего изобретения влагосодержание составляет от 10% до 20%. В одном дополнительном варианте осуществления влагосодержание составляет от 11% до 15%, например от 12% до 14%. В одном дополнительном варианте осуществления влагосодержание составляет приблизительно 12%. В одном варианте осуществления влагосодержание является близким к точке насыщения волокна. Влагосодержание, а также точка насыщения волокна древесины могут быть определены с использованием способов, известных в данной области техники.
Время, требуемое для стадии сушки, зависит от свойств используемой древесины, но обычно находится в диапазоне от 5 час до 96 час для мягкой древесины.
Во время стадии термической модификации древесина нагревается при температуре от 160°C до 250°C при атмосферном давлении или при температуре от 120°C до 250°C при давлении выше атмосферного.
2
В одном варианте осуществления настоящего изобретения древесина может быть уплотнена во время или после стадии термической модификации. Уплотнение может быть выполнено путем приложения давления к древесине. Уплотнение может выполняться при давлении 1-3 кг/см, и максимальное сжатие должно составлять приблизительно 10% от толщины древесины.
Для уплотнения предпочтительно одновременно прикладывать давление и тепло, поскольку эта комбинация улучшит уплотнение древесины. Уплотнение может выполняться отдельно, в режиме реального времени или может быть встроено в процесс в соответствии с настоящим изобретением. Если используется отдельное уплотнение, можно использовать горячее прессование после стадии термической модификации. Если используется встроенное уплотнение, можно использовать системы на основе валков или пластин. Уплотнение может быть сделано во время стадии термической модификации или после стадии термической модификации.
При уплотнении поверхность древесины становится более плотной, то есть волокна на поверхности проявляют меньшую склонность к взаимодействию с влагой, и сохраняет свою первоначальную форму. Это также приводит к уменьшению тенденции к ослаблению волокон на поверхности древесины. Поверхностная плотность и таким образом твердость древесины при этом также улучшаются.
Произведенная термически модифицированная древесина может также использоваться под нагрузкой.
Используемый в настоящем документе термин «плотная древесина» определяется как компонент из плотной древесины любой породы, включая штифтовые соединения, а также ламинированные продукты.
Произведенный продукт термически модифицированной древесины может использоваться для производства множества различных продуктов, таких как облицовка, настил, оконные и дверные профили, столбы освещения, причалы, столярные изделия, мебель и т.д.
Примеры
Термообработка материала
Несортированные пиломатериалы в виде доски размером 45×145 мм из норвежской ели были термически обработаны в соответствии со стандартным планом Thermowood D и в соответствии со специальным планом по настоящему изобретению. Оба плана использовали 3-часовую фазу плато при температуре 212°C. Один набор досок из той же самой партии был оставлен необработанным для его использования в качестве справочного материала.
Стандартная обработка Thermowood
Разработанный стандартный план Thermowood D показан на Фиг. 1. 77-часовой план содержит начальное нагревание до 100°C, фазу сушки при температуре, увеличенной до 130°C, нагрев до температуры плато, 3-часовую обработку при 212°C, охлаждение и кондиционирование.
Климат в конце фазы сушки при температуре сухого термометра 130°C и температуре влажного термометра 99°C соответствует равновесной влажности (EMC)=1% - 2,5%.
Специальная обработка в соответствии с настоящим изобретением
План специальной обработки основан на идее уменьшить или исключить гидролиз материала путем его сушки до очень низкой влажности при низкой температуре. Сушка выполняется при температуре сухого термометра 90°C и температуре влажного термометра, постепенно уменьшаемой до 50°C, что соответствует EMC 2,5%.
Фаза низкотемпературной сушки в этом тесте занимала 52,5 час с последующей 28-часовой фазой высокотемпературной сушки до того, как температура была увеличена до 212°C. Фиг. 2 показывает кривые трендов для специальной обработки.
Результаты тестов на изгиб
Результаты тестов прочности на изгиб показаны в Таблице 1. Критические значения для возможности использования под нагрузкой выделены жирным текстом.
Таблица 1. Сводка результатов тестов на изгиб EN 408
Тестируемое свойство
Единица измерения
Необработанный образец
Обычный Thermowood D
Thermowood в соответствии с настоящим изобретением
Прочность при изгибе с 4 точками по краям
Н/мм<sup>2</sup>
45,2
32,5
36,9
Среднеквадратичное отклонение прочности
Н/мм<sup>2</sup>
9,6
10,7
12,2
<b>Характеристическая прочность на изгиб</b>
<b>Н/мм</b><sup><b>2</b></sup>
<b>28,0</b>
<b>15,2</b>
<b>19,6</b>
Количество протестированных досок
шт.
22
77
75
<b>Глобальный модуль Юнга</b>
<b>Н/мм</b><sup><b>2</b></sup>
<b>9,8</b>
<b>10,1</b>
<b>10,6</b>
Среднеквадратичное отклонение модуля Юнга
Н/мм<sup>2</sup>
1,8
1,8
1,9
Количество протестированных досок
шт.
22
71
73
Результаты испытаний показывают, что значения прочности могут быть дополнительно улучшены путем предварительной сортировки сырья перед обработкой. Таблица 2 показывает значения прочности, полученные после удаления досок с низкой локальной начальной жесткостью, определенной механически с помощью машины Metriguard для оценки продольного напряжения:
Таблица 2. Результаты тестов EN 408 на изгиб с удаленными досками с низкой жесткостью.
Тестируемое свойство
Единица измерения
Необработанный образец
Обычный Thermowood D
Улучшенный Thermowood D
Прочность при изгибе с 4 точками по краям
Н/мм<sup>2</sup>
49,0
34,4
39,0
Среднеквадратичное отклонение прочности
Н/мм<sup>2</sup>
9,6
10,7
11,8
<b>Характеристическая прочность на изгиб</b>
<b>Н/мм</b><sup><b>2</b></sup>
<b>38,9</b>
<b>16,8</b>
<b>21,0</b>
Количество протестированных досок
шт.
16
30
32
<b>Глобальный модуль Юнга</b>
<b>Н/мм</b><sup><b>2</b></sup>
<b>10,6</b>
<b>10,8</b>
<b>11,7</b>
Среднеквадратичное отклонение модуля Юнга
Н/мм<sup>2</sup>
1,1
1,8
1,8
Количество протестированных досок
шт.
16
27
32
Удаление досок с самой низкой локальной жесткостью дало небольшое увеличение значений прочности на изгиб.
Однако оценка напряжения выполнялась путем механического плоского изгиба, а тесты на изгиб выполнялись по краям. При использовании более продвинутых процедур оценки напряжения ожидается большее увеличение характеристических значений прочности.
Улучшение прочности на изгиб иллюстрируется диаграммой на Фиг. 3.
Учитывая вышеизложенное подробное описание настоящего изобретения, другие модификации и вариации будут очевидны специалистам в данной области техники. Однако должно быть очевидно, что такие другие модификации и вариации могут осуществляться без отступления от духа и области охвата настоящего изобретения.