СПОСОБ ОГНЕБИОЗАЩИТНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD OF WOOD ANTI-FIRE AND BIO-PROTECTION PROCESSING

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, а именно к способам пропитки древесных заготовок защитными составами, для получения негорючих, не подверженных гниению материалов и конструкций.
Существует большое количество способов защиты изделий из древесины с целью увеличения срока их службы и качества, содержащих различные приемы, с использованием разнообразных составов растворов.
Известны способы огнебиозащитной защиты древесины, включающие обработку составами, содержащими кальцинированную соду, борную кислоту и фторид натрия в мас.%, соответственно: 1-15, 1-5,2, вода остальное, ОСТ 13-135-82. «Средства защитные для древесины». Растворы огнебиозащитных препаратов ФБС и БС-13. Технические требования. Мин. лесной и целлюлозно-бумажной промышленности СССР.
Недостатком данных способов является применение составов, обладающих высокой токсичностью, обусловленной использованием фторида натрия.
Известен также способ огнезащитной пропитки древесины (№2307736, В27К 3/52, опубл. 10.10.2007) составом, содержащим водный раствор ортофосфорной кислоты и карбамида, пленкообразующий спиртовой раствор тетраэтоксисилана с ультрадисперсным порошком (УДП), выбранным из порошка алюминия или фторопласта, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ортофосфорная кислота
20-30
Карбамид
15-25
Тетраэтоксисилан
1,2-2,5
Спирт одноатомный
12,5-13,0
УДП
0,06-0,08
Вода
Остальное
Недостатками способа пропитки древесины известным составом являются длительность обработки, т.к. пропиточный состав наносится в 2-3 слоя, время сушки каждого слоя при комнатной температуре составляет 2 часа и значительное количество компонентов состава.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ обработки древесины, заключающийся в последовательной пропитке деревянных конструкций при температуре 10-60°C двумя водными растворами, представляющими собой огнебиозащитные составы для первичной и повторной (вторичной) пропитки. Раствор для первичной пропитки содержит неорганические соли, обладающие огне- и биозащитными свойствами: дигидрофосфат аммония, семиводный сульфат магния, буру, поверхностно-активное вещество (ПАВ) и воду в следующих соотношениях, мас.%: дигидрофосфат аммония 11,0-12,0, семиводный сульфат магния 23,0-25,0, бура 5,0-6,0, поверхностно-активное вещество 1,0-1,5, вода 55,0-60,0.
Раствор для повторной (вторичной) пропитки 18,0-21,0%-ный водный раствор хлорида кальция (№2200088, В27К 3/52, опубл. 10.03.2003).
Недостатками известного способа являются его сложность, трудоемкость, длительность в технологическом исполнении, а также наличие энергозатрат при его выполнении.
Технической задачей настоящего изобретения является способ получения качественной огнебиозащищенной древесины при снижении энергозатрат, токсичности, трудоемкости и длительности процесса производства, упрощение технологии и удешевление конечного продукта.
Технический результат достигается тем, что в способе огнебиозащитной обработки древесины, представляющем собой температурную пропитку водным раствором, включающим азотсодержащий компонент и буру, в отличие от прототипа, в качестве азотсодержащего компонента используется карбамид, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Бура - 10-15
Карбамид - 10-15
Вода - Остальное,
и дополнительно вводится известь в количестве 20-30% по отношению к количеству воды.
Сначала на дно резервуара укладывается слой извести, затем над ним устанавливается штабель древесины, далее подается вода, а бура и карбамид добавляются спустя 20-30 минут после начала реакции воды с известью.
3
Способ предусматривает насыщение древесины ароматизаторами, путем впрыска последних в закрытую камеру с древесиной, из расчета 1-2 г на 1 м древесины и выдержки ее в течение 24 часов.
Способ реализуется следующим образом.
3
На дно резервуара укладывают слой негашеной извести (ГОСТ 9179-77) из расчета 230-240 кг на м воды, далее над ним устанавливают штабель древесины, закрепленный на сетке.
Резервуар закрывают крышкой и заполняют его водой. В результате экзотермической реакции между известью и водой состав начинает кипеть:
2
2
СаО+HO-Са(ОН)+63,7 кДж/моль.
2
Известь реагирует с водой, образуя гашеную известь Ca(ОН). При температурном и химическом воздействии раствора на древесину вся микрофлора в вегетативной стадии инактивируется.
3
Далее, спустя 20-30 минут на каждый м воды подают буру (ГОСТ 8429-77) из расчета 90-100 кг и карбамид (ГОСТ 2081-92) - 90-100 кг. При температуре пропитывающего раствора 100-60°C, древесину выдерживают 60 минут. Далее штабель поднимают над резервуаром, и после того, как свободный раствор стечет, штабель перемещают в склад для сушки.
3
Способ предусматривает насыщение древесины ароматизаторами путем впрыска последних в закрытую камеру с древесиной из расчета 1-2 г на 1 м древесины и выдержки ее в течение 24 часов.
Использование негашеной извести позволяет поднять температуру раствора без привлечения других источников энергии и в течение всего периода насыщения поддерживать оптимальную температуру (100-60°С), благодаря чему, поры древесины расширяются, раствор глубже проникает в них, погибают все вредные насекомые, их личинки и гнилостные микроорганизмы, и в дальнейшем обработанная по предлагаемому способу древесина становится для них неприемлемым материалом. Такой материал может с гарантией десятилетия использоваться в строительстве.
Опытным путем было найдено оптимальное количество извести, необходимое для соблюдения временных и температурных режимов обработки древесины, и установлено, что бура оказывает некоторое ингибирующее действие в отношении процесса гашения извести и что увеличение процентного содержания буры в растворе ухудшает полноценное протекание химической реакции.
Данные проведенных испытаний приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Процентное содержание составляю-щих в растворе
Бура - 20%; Мочевина - 20%;Вода - ост. (Известь - 20,0% от количества воды)
Бура - 15%; Мочевина - 15%;Вода - ост. (Известь - 20% от количества воды)т
Бура - 10%; Мочевина - 10%;Вода - ост. (Известь - 20% от количества воды)
Бура - 5%; Мочевина - 5%;Вода - ост. (Известь - 20% от количества воды)
Бура - 3%; Мочевина - 3%;Вода-ост. (Известь - 20% от количества воды)
Бура-10% Мочевина---;Вода - ост. (Известь - 20% от количества воды)
Бура-; Мочевина - 10%-;Вода - ост. (Известь - 20,0% от количества воды)
Бура - 1,0-2,0%; Мочевина - 9,0-10%;Вода - ост. (Известь - 20% от количества воды)
Протекание реакции гашения извести
не протекает
протекает
бурное протекание
бурное протекание, низкий прирост солей
бурное протекание, низкий прирост солей
бурное протекание
бурное протекание
бурное протекание, низкий прирост солей
Для проверки огнебиозащитной эффективности предлагаемого способа обработки заготовок из древесины проводились испытания на огнезащитную эффективность и на стойкость к биодеградации.
Были подготовлены 10 образцов из древесины сосны в виде прямоугольных брусков, поперечным сечением 30×60 мм и длиной волокон 150 мм (согласно ГОСТ 16363-98) для пропитки по разработанной технологии и проведения испытаний на огнезащитную эффективность.
Перед испытанием обработанные и высушенные образцы древесины кондиционировались в условиях, указанных в 4.1.3, ГОСТ 16363-98, и взвешивались с погрешностью не более 0,1 г. Была собрана установка для определения огнезащитной эффективности покрытий и пропиток по ГОСТ 16363-98.
Результаты испытаний при температуре воздуха 23°C и относительной влажности воздуха 68% представлены в Таблице 2.
Таблица 2
Но-мер образца
Масса образца, г
Расход рабочего состава
Привес сухого состава
Потеря массы образца
Средняя потеря массы образцов
до обработки
перед сжиганием
после сжигания
пропиточного состава, кг/м<sup>2</sup>
расход сухого средства огнезащиты, кг/м<sup>2</sup>
(г)
(%)
(г)
(%)
1
108
115
95,45
22
0,228
19,55
17
18,52
15,9
2
111
117
99,45
19
0,196
17,55
15
3
110
117
98,28
19
0,228
18,72
16
4
109
116
98,6
22
0,228
17,40
15
5
109
115
95,45
21
0,196
19,55
17
6
111
118
96,76
18
0,228
21,24
18
7
108
115
97,75
20
0,228
17,25
15
8
110
118
99,12
20
0,261
18,88
16
9
110
118
100,3
19
0,261
17,70
15
10
108
116
98,6
21
0,228
17,40
15
По результатам испытания устанавливается группа огнезащитной эффективности испытанного пропиточного состава при данном способе его применения, согласно ГОСТ 16363-98:
При потере массы образца не более 9% для средства защиты древесины устанавливают I группу огнезащитной эффективности.
При потере массы более 9%, но не более 25%, для средств защиты древесины устанавливают II группу огнезащитной эффективности.
При потере массы более 25% считают, что данное средство не обеспечивает огнезащиты древесины.
Результаты испытаний показали среднюю потерю массы образцов, равную 15%, следовательно, согласно ГОСТ 16363-98, древесине, обработанной по предлагаемому способу, можно присвоить 2-ю группу огнезащитной эффективности.
Испытуемые образцы вместе с контрольными, не подвергавшимися никакой обработке, были проверены на стойкость к биодеградации, в особенности к гниению, вызванному разлагающими древесину грибами и микроорганизмами. Испытания проводились в течение 3-х месяцев. На предварительно взвешенные образцы древесины, размером 20×20×150 мм и влажностью 15%, помещенные в колбы, нанесли грибницу белого домового гриба (Poria vaporaria) и оставили в темном месте при комнатной температуре.
Эффективность испытуемой пропитки осуществлялась по потере образцами своей массы, по мере разложения грибом. Полученные результаты представлены в Таблице 3.
Таблица 3
№ п/п
Сосна ядро
Сосна заболонь
Дуб ядро
Дуб заболонь
Сосна ядро (контр.)
Сосна заболон (контр)
Дуб ядро (контр)
Дуб забол. (контр)
Заражение образцов белым домовым грибом (за 3 месяца)
1
---
---
---
---
2
---
-++
---
---
3
---
---
---
---
4
---
--+
---
---
5
---
---
---
---
6
--
---
---
---
7
Контроль (без обработки)
1(3 обр.)
-++
-++
--+
--+
2(3 обр.)
-++
+++
-++
-++
3(3 обр.)
-++
-++
---
-++
Как видно из Таблицы 3, испытуемые образцы показали хорошую способность противостояния дереворазрушающим грибам при испытании на заражение белым домовым грибом. Так, в конце третьего месяца испытания только единичные образцы (2 шт.) из партии образцов (сосна, заболонь) были подвержены разрастанию на поверхности грибницы белого домового гриба.
У почти всех, ничем не обработанных, контрольных образцов зафиксирована потеря массы от 68% до полного разрушения.
Защитная активность разработанного способа в обязательном порядке испытывалась против гриба Coniophora puteana.
Об эффективности способа судят по потере массы древесины. Так, при концентрации раствора (бура - 10-15%, мочевина - 10-15%, вода - остальное; + известь - 20-30%) потеря массы древесины составила в среднем 2,83%. Исходя из этого, антисептирующие свойства предлагаемого способа по отношению к дереворазрушающему грибу сосны Coniophora puteana можно считать достаточно эффективными.
Проводилась проверка защиты образцов, обработанных по новому способу против грибов синевы.
Оценку эффективности способа проводили по истечении 5, 10 и 15 суток экспозиции по средней площади поражения грибами поверхности 3-х групп образцов в %, которая на 15-е сутки испытаний оказалась равной 10% у одной из трех групп пропитанных образцов древесины, в то время как все группы контрольных образцов были поражены на 30-40% уже на 5-е сутки испытаний.
Кроме того, проводились «полевые» испытания образцов по методике, рекомендованной европейским стандартом EN 252 для определения эффективности антисептирования древесины. Согласно этой методике были подготовлены образцы, размером 500×50×25 мм, которые были зарыты на глубину 30 см в унавоженную почву сельхозугодий. Результаты после шести месяцев испытаний показали следующую потерю испытуемыми образцами массы, приведенную в Таблице 4:
Таблица 4
Испытуемые объекты
Потеря массы, в %
Образцы, обработанные по новому способу
2 (дуб) - 6 (сосна)
Контрольные, (необработанные) образцы
11 (дуб) - 48 (сосна)
Исследования показали, что предлагаемый способ огнебиозащитной обработки древесины обеспечивает ей 2-ю группу огнезащитной эффективности и оптимальные параметры защиты от дереворазрушающих, деревоокрашивающих грибов и других патогенов, приводящих к повреждению и разрушению продукции из дерева.
Анализ всей серии проведенных испытаний позволяет считать огнебиозащитные свойства, придаваемые заготовкам из древесины предлагаемым способом - следствием экспериментально найденной совокупности компонентов состава и особых технологических приемов введения их в обрабатываемую древесину.
В отличие от прототипа, способ не требует:
- подогрева пропиточного состава, а использует тепло экзотермической реакции взаимодействия извести с водой;
- 2-3-часового перемешивания растворяющихся ингредиентов состава и необходимости применения 2-х составов, а реализуется за один прием.
Способ, согласно настоящему изобретению, эффективен, быстр, прост в техническом исполнении и дешев, обеспечивает древесине 2-ю группу огнезащитной эффективности, уничтожает все имеющиеся в древесине на момент обработки биоформы и предохраняет от нового заражения. Повышает качество, создавая равномерный огне- и биозащитный слой, что увеличивает срок службы изделий из древесины.
Способ может быть легко реализован как в заводских условиях, так и непосредственно на месте строительства.