СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСИНА, ОБРАБАТЫВАЕМАЯ В СООТВЕТСТВИИ С ЭТИМ СПОСОБОМ
METHOD OF PROCESSING WOOD AND WOOD PROCESSED IN COMPLIANCE WITH THIS METHOD

Область техники, которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу обработки древесины, который включает в себя этапы пропитки древесины раствором, содержащим лимонную кислоту, и последующей выдержки древесины при высокой температуре. Настоящее изобретение также относится к древесине, обрабатываемой в соответствии с этим способом.
Уровень техники
Древесина, которая не обработана, очень восприимчива к воздействиям, оказываемым внешней средой. Необработанная древесина, которая подвергается воздействию влаги и/или грязи в течение продолжительных периодов времени, становится ослабленной из-за поражения различного рода грибов, бактерий или насекомых. Поэтому важно обрабатывать древесину с целью повышения ее сопротивления влаге и поражению грибов.
Существует ряд различных способов обработки, которые повышают сопротивление древесины. В течение длительного времени с целью повышения биологической стойкости и прочности использовалась химическая обработка древесины. Может добавляться множество различных химических веществ. Эти химические вещества обычно называются фунгицидами, и они обеспечивают долговременное сопротивление организмам, которые вызывают повреждение древесины. Если они правильно применяются, они могут продлить жизнь лесоматериала на пять-десять лет. Лимонная кислота является одним из химических веществ, которое используется с целью повышения стойкости древесины. Кроме того, лимонная кислота может также придавать волокну укрепляющие свойства.
Еще один известный способ улучшения сопротивления древесины состоит в обработке древесины при высоких температурах. Во время термообработки некоторые органические соединения, находящиеся в древесине, выводятся, благодаря чему уменьшается возможность развития на древесине грибов и гнили. Таким образом, за счет нагревания древесины до определенной температуры может оказаться возможным сделать древесные волокна менее привлекательными для грибов и насекомых. Термообработка может также улучшить свойства древесины в отношении воды, т.е. понизить равновесную влажность, уменьшить деформацию из-за влажности и улучшить сопротивление атмосферным влияниям.
Термообработка может также проводиться с целью улучшения размерной стабильности древесины. Во время термообработки выводится гемицеллюлоза и другие компоненты древесины. Гемицеллюлоза действует в древесине как связующее вещество, делающее древесину прочнее. Таким образом, термообработка древесины снижает прочность древесины, поскольку при повышенной температуре гемицеллюлоза в древесине разрушается или выводится.
Существует необходимость в способе получения более долговечного и прочного лесоматериала.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение способа производства прочной древесины усовершенствованным способом.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа значительного повышения поверхностной стойкости древесины к влиянию истирания и атмосферных условий.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа производства биологически стойкой древесины.
Указанные цели и другие преимущества достигаются с помощью способа по п. 1. Настоящее изобретение относится к способу обработки древесины, который включает в себя этапы: пропитки древесины - предпочтительно цельной древесины - раствором, содержащим лимонную кислоту, и выдержки пропитанной древесины при температуре 150-220°С. Продемонстрировано, что благодаря объединению пропитки древесины раствором, содержащим лимонную кислоту, и высокотемпературной выдержки древесина повышенной прочности может производиться более эффективным способом.
Цельная древесина, обработанная в соответствии со способом данного изобретения, предпочтительно используется в качестве элементов конструкции зданий, например, элементов несущих стен или парковой мебели.
Выдержка может длиться в течение периода по меньшей мере 2 часов, предпочтительно - в течение около 4 часов. В зависимости от конечного применения древесины и от сухости древесины время выдержки может изменяться.
Выдержка пропитанной древесины может предпочтительно выполняться при температуре 180-220°С. Продемонстрировано, что использование при выдержке повышенной температуры приводит к продукту с улучшенной размерной стабильностью и лучшим сопротивлением к грибам и насекомым.
3
Предпочтительно, чтобы раствор, содержащий лимонную кислоту, имел концентрацию 1-40%. Концентрация раствора, содержащего лимонную кислоту, зависит от требуемого количества лимонной кислоты в древесине. За счет повышения концентрации раствора достигается большее количество лимонной кислоты в древесине. Часто предпочтительным является большое количество лимонной кислоты. Древесина предпочтительно содержит лимонную кислоту в количестве 10-80 кг/м.
Раствор для пропитки может дополнительно содержать силикат натрия, который приводит к повышенной прочности и твердости. В одном варианте осуществления раствор для пропитки изготавливался смешиванием лимонной кислоты и силиката натрия при повышенных температурах, таких как температура, например, 30-80°С, предпочтительно - 45-80°С. Продемонстрировано, что это приводит к продукту с еще более высокой прочностью и стойкостью.
В варианте осуществления, в котором раствор содержит лимонную кислоту и силикат натрия, соотношение между лимонной кислотой и силикатом натрия в растворе предпочтительно составляет 1:5-1:10 (лимонная кислота:силикат натрия). Часто предпочтительно иметь большое количество лимонной кислоты. Однако слишком большое количество может приводить к тому, что силикат натрия в растворе выделяет осадок. Кроме того, рН во время пропитки предпочтительно составляет свыше 4. Предпочтительно не понижать рН раствора во время пропитки до величины ниже 4. Силикат натрия имеет относительно высокое значение рН, и за счет добавления лимонной кислоты в раствор, содержащий силикат натрия, рН снижается. Однако предпочтительно не снижать рН слишком сильно, поскольку раствор с низким рН влияет на оборудование, на котором или в котором осуществляется пропитка древесины, например, может происходить коррозия оборудования.
Выдержка может осуществляться в бескислородной среде. Поскольку во время выдержки используются высокие температуры, может оказаться целесообразным осуществлять выдержку древесины и ее пропитанных составляющих в бескислородной среде.
Во время или после выдержки древесина может уплотняться. Благодаря повышению плотности древесины во время или после выдержки поверхностная прочность древесины может быть дополнительно улучшена.
Настоящее изобретение также относится к древесине, обрабатываемой в соответствии с вышеописанным способом. Производимая древесина имеет повышенную прочность и меньшее расслаивание волокон. Предпочтительно, чтобы обрабатываемая древесина являлась древесиной мягких пород.
Подробное описание
Изобретение относится к способу для обработки древесины путем пропитки древесины - предпочтительно цельной древесины - раствором, содержащим лимонную кислоту, с последующей выдержкой древесины при высокой температуре. Продемонстрировано, что благодаря объединению пропитки древесины раствором, содержащим лимонную кислоту, и выдержки при высокой температуре может производиться древесина с повышенной прочностью, стойкостью и размерной стабильностью. Кроме того, продемонстрировано также, что обработка древесины лимонной кислотой с последующей выдержкой при высокой температуре повышает биологическую стойкость продукта.
Во время термообработки древесины гемицеллюлоза и другие компоненты древесины разрушаются или выводятся, и прочность древесины при этом снижается. Благодаря пропитке древесины раствором, содержащим лимонную кислоту, перед выдержкой при высокой температуре можно заменить функцию удаленных компонентов лимонной кислотой. Лимонная кислота при этом действует как связующее вещество между волокнами и клетками древесины и посредством этого повышает прочность и стойкость древесины. Твердость и устойчивость древесины также улучшаются.
Выдержка пропитанной древесины может осуществляться при температуре 150-220°С, предпочтительно 180-220°С. Если используются температуры в верхнем диапазоне, большее количество компонентов, например гемицеллюлозы, удаляется и замещается лимонной кислотой по сравнению со случаем, в котором используются температуры в нижнем диапазоне. Выдержка может длиться в течение по меньшей мере двух часов, предпочтительно - в течение приблизительно 4 часов. Параметры, выбираемые для выдержки древесины, зависят от используемой древесины и от конечного применения пропитанного и выдержанного лесоматериала.
Во время процесса выдержки лимонная кислота реагирует с теплом, и кислота при этом присоединяется к древесному волокну. Во время процесса выдержки кислота при этом активируется и соединяется с древесными волокнами. Поскольку выдержка осуществляется при высокой температуре, древесина при этом также высушивается.
Раствор для пропитки может содержать смесь лимонной кислоты и силиката натрия. При этом силикат натрия точно так же, как и лимонная кислота, во время процесса выдержки присоединяется к древесным волокнам, благодаря чему во время термообработки внутренняя часть древесины твердеет. Продемонстрировано, что смесь лимонной кислоты и силиката натрия увеличивает твердость и прочность конечного продукта. Кроме того, пропитка древесины смесью лимонной кислоты и силиката натрия с последующей выдержкой при высокой температуре приводит к конечному продукту с высоким сопротивлением разложению от плесени.
Выдержка может осуществляться в бескислородной среде. Это может являться преимуществом, если используются высокие температуры, поскольку при высоких температурах древесина легко воспламеняется, а отсутствие кислорода исключает такой риск.
Пропитка лимонной кислотой или смесью лимонной кислоты и силиката натрия предпочтительно осуществляется при высоком давлении при комнатной температуре. Пропитка может осуществляться в три этапа: первый этап, на котором древесина подвергается вакууму, выводящему из древесины воздух, второй этап, на котором раствор, содержащий лимонную кислоту или смесь лимонной кислоты и силиката натрия, пропитывает древесину, и третий этап, на котором древесина подвергается вакууму с целью нагнетания в древесину лимонной кислоты или лимонной кислоты и силиката натрия. Второй этап предпочтительно осуществляется при высоком давлении, предпочтительно - при давлении около 13 бар в течение по меньшей мере 7 часов. Первый и третий этапы могут длиться около 30-60 минут.
3
Предпочтительно, чтобы раствор, содержащий лимонную кислоту, имел концентрацию 1-40% по весу, предпочтительно - концентрацию 4-10% по весу. Концентрация раствора, содержащего лимонную кислоту, зависит от требуемой нагрузки лимонной кислоты в древесине. Путем повышения концентрации достигается более высокая нагрузка лимонной кислоты в древесине. Часто предпочтительным является большое количество лимонной кислоты. Пропитанная древесина предпочтительно содержит лимонную кислоту в количестве 10-80 кг/м. Количество лимонной кислоты в древесине зависит от конечного применения лесоматериала.
При использовании смеси лимонной кислоты и силиката натрия соотношение между лимонной кислотой и силикатом натрия предпочтительно составляет 1:5-1:10 (лимонная кислота:силикат натрия). Часто предпочтительно иметь большое количество лимонной кислоты. Однако слишком большое количество может приводить к тому, что силикат натрия в растворе выделяет осадок. Количество лимонной кислоты по отношению к силикату натрия зависит от обрабатываемой древесной породы и конечного применения лесоматериала.
2
Во время или после выдержки древесины она может уплотняться. Уплотнение может осуществляться приложением к древесине давления. Уплотнение может осуществляться при давлении 1-3 кг/см, при этом максимальное сжатие должно составлять около 10% от толщины древесины.
Предпочтительно прилагать как давление, так и тепло, поскольку такая комбинация улучшает уплотнение древесины. Уплотнение может осуществляться вне линии, на линии или на одной линии, т.е. на одной линии со способом в соответствии с изобретением. Если используется уплотнение вне линии, можно использовать горячий пресс после выдержки древесины. Если используется уплотнение на осной линии, можно использовать роликовые или пластинчатые конвейеры. Уплотнение может осуществляться во время выдержки древесины или после того, как древесина выдержана и посредством этого также высушена. Можно также предварительно выдерживать древесину с последующим уплотнением, а затем выдерживать древесину по меньшей мере еще один раз.
Благодаря уплотнению древесины поверхность древесины становится более ровной, т.е. волокна на поверхности становятся менее склонными к реагированию с влагой и сохраняют свою первоначальную форму. Это также приводит к уменьшенной склонности волокон на поверхности древесины к расслаиванию. Поверхностная плотность и, следовательно, также твердость древесины также улучшаются.
Настоящее изобретение также относится к древесине, предпочтительно цельной древесине, обрабатываемой в соответствии с вышеописанным способом. Производимая древесина имеет повышенную прочность и меньшее расслаивание волокон. Предпочтительно, чтобы обрабатываемая древесина являлась древесиной мягких пород. Однако с помощью способа в соответствии с изобретением можно также обрабатывать и древесину другого типа, например, древесину твердых пород.
Производимая древесина может использоваться для производства множества различных продуктов, таких как облицовка, покрытие, осветительные столбы, причальные сооружения, столярные изделия, мебель и т.д.
На основании вышеизложенного подробного описания настоящего изобретения специалистам станут понятными и иные варианты. Однако должно быть ясно, что такие иные варианты могут быть осуществлены в пределах сущности и объема изобретения.
Изобретение иллюстрируется ниже рядом примеров.
Пример 1
В данном примере исследовалась размерная стабильность пропитанной под давлением и термически обработанной обыкновенной сосны (Pinus sylvestris L.).
Исследуемые образцы обыкновенной сосны пропитывались следующим образом: 21 исследуемый образец пропитывался раствором, содержащим лимонную кислоту (с концентрацией 9,3%), а 19+18 исследуемых образцов пропитывались раствором, содержащим силикат натрия (с концентрацией 7%) и лимонную кислоту (в соотношении 10/1). 10 образцов ThermoWood в качестве эталонных пропитывались лимонной кислотой (9,3%). В таблице 1 приведен используемый процесс пропитки.
Таблица 1
Процессы пропитки
Пропитка
Фаза процесса
Время (мин)
Давление (бар)
Температура (°С)
Лимонная кислота
Начальный вакуум
45
-0,93
18
Фаза давления
480
13,3
20
Конечный вакуум
45
-0,87
19
Силикат натрия + лимонная кислота
Начальный вакуум
45
-0,88
18
Фаза давления
420
12,99
22
Конечный вакуум
40
-0,88
21
Выдержка
40
8,49
21
880
-0,82
20
Пропитанные исследуемые образцы пиленого лесоматериала подвергались термообработке либо при 180° в течение трех часов, либо при 160° в течение четырех часов. После термообработки материал стабилизировался до влажности приблизительно 12%.
Размерная стабильность определялась в соответствии со стандартом SFS-EN 1910 (Финская ассоциация по стандартизации SFS 2000). Сначала исследуемые образцы кондиционировались при относительной влажности 65±5% и температуре 20±2°С до достижения постоянной массы. Кондиционированные исследуемые образцы затем подвергались воздействию атмосферы с относительной влажностью 85±5% и температурой 20±2°С, после чего осуществлялась стабилизация в сухой атмосфере (RH 30±5%, Т 20±2°С).
После каждой стадии стабилизации размеры исследуемых образцов измерялись в соответствии со стандартом EN 13647 (Финская ассоциация по стандартизации SFS 2003). Ширина исследуемых образцов измерялась по двум линиям, причем их расстояние до кромок составляет приблизительно 5 мм. Длина представляла собой среднее измерений, выполняемых от кромок образцов. Толщина образцов измерялась по двум точкам измерений с обеих сторон образцов.
Суммарные относительные изменения (%) определялись следующим образом:
<mrow><mi>d</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mfrac><mrow><mfrac><mrow><mn>18</mn></mrow><mi>h</mi></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>D</mi><mi>h</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>D</mi><mi>d</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mi>t</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
h
d
i
Здесь dcr = суммарное относительное изменение размеров (%), D = размер после стабилизации во влажной атмосфере (мм), D = размер после стабилизации в сухой атмосфере (мм), D = размер после начального кондиционирования (мм), а h=18.
В таблице 2 приведены изменения размеров обрабатываемых исследуемых образцов.
Таблица 2
Суммарные относительные изменения (dcr, %) в соответствии с обработкой образцов
Пропитка (вещество, концентрация)
Термообработка
n
dcr*, длина (%)
dcr*, толщина (%)
dcr*, ширина (%)
Силикат натрия 7% + ЛК(соотношение 10/1)
180°С
19
0,07/0,03/0,37
1,88/0,31/0,16
2,12/0,28/0,13
Силикат натрия 7% + ЛК(соотношение 10/1)
160°С
18
0,07/0,04/0,52
2,13/0,43/0,20
2,64/0,45/0,17
Лимонная кислота (ЛК) 9,3%
180°С
21
0,07/0,02/0,03
0,74/0,20/0,27
0,98/0,29/0,30
Thermowood, ЛК 9,3%
Нет
10
0,05/0,02/0,38
1,82/0,49/0,27
1,52/0,31/0,20
*значения dcr означают среднее/стандартное отклонение/коэффициент вариации
Как можно видеть в таблице 2, продольные изменения исследуемых образцов оказались небольшими - 0,05-0,07%. Среди пропитанных ЛК и термообработанных образцов радиальные изменения были наименьшими. Было отмечено значительное различие между пропитанными ЛК пилеными лесоматериалами и Thermowood; термообработка пропитанного лимонной кислотой (ЛК) материала повысила размерную стабильность. Кроме того, в отношении тангенциальной стабильности пропитанный ЛК материал Thermowood продемонстрировал более значительные изменения размеров, чем термообработанные пропитанные ЛК исследуемые образцы. Кроме того, можно отметить, что термообработка при 180°С исследуемых образцов, пропитанных лимонной кислотой и силикатом натрия, продемонстрировала более высокую размерную стабильность, чем термообработка при 160°С.
Пример 2
В этом примере исследовалась эффективность защиты пропитанной заболони обыкновенной сосны от термитов.
Исследуемые образцы заболони сосны пропитывались, а после этого подвергались термообработке в соответствии с таблицей 3.
Таблица 3
Пропитка и термообработка исследуемых образцов
Образец 1а-1с
Образец 2а-2с
Эталон Ra-c
Пропитка (активный ингредиент и концентрация)
Лимонная кислота 7,5%
Силикат натрия 5,5% + лимонная кислота <1%
Ничего
Термообработка (температура/время)
170°С/4 ч
170°С/4 ч
Ничего
Эффективность защиты от термитов проверялась в соответствии с NF EN 117. Подробности и даты испытаний приведены в таблице 4.
Таблица 4
Используемый вид термитов
Reticulitermes flavipes (ранее Reticulitermes santonensis)
Место происхождения термитов
Сен-Трожан-ле-Бен (Шаранта Приморская)
Тип древесины, используемой для
Заболонь обыкновенной сосны
испытаний
Испытания на старение
Нет
Дата начала (воздействие)
17.11.2011
Дата проверки
05.01.2012
Оценка по результатам испытаний
Да, соответствует стандартам
Масштабы поражения древесины термитами
В соответствии со стандартом EN 117;
0 = отсутствие поражения;
1 = попытка поражения;
2 = незначительное поражение;
3 = среднее поражение;
4 = существенное поражение.
Результаты испытаний приведены в таблице 5.
Таблица 5
Эталонный образец
Выживаемость рабочих термитов (%)
Термиты-солдаты (S) и нимфы (N)
Оценка
Образец 1а
0
-
3
Образец 1b
0
-
2
Образец 1c
5
N
2
Образец 2a
23
N-S
3
Образец 2b
8
N
3
Образец 2c
0
-
3
Эталон Ra
52
N-S
4
Эталон Rb
57
N-S
4
Эталон Rc
54
N-S
4