Другие способы получения модифицированной древесины

Ранее описанные способы получения модифицированной древесины совмещенным способом являются двухстадийными, т.е. операции пропитки и операции сушки под давлением разделены как по месту, так и по времени. В ряде случаев эффективно все операции проводить в одном агрегате, так как это решается при получении лигнамона . Однако процесс в этом случае неоправданно затягивается до нескольких десятков часов.

Для сокращения длительности процесса целесообразно все операции, т.е. пропитку, сушку и уплотнение древесины осуществлять под действием центробежных сил. При этом при пропитке и сушке заготовки располагают волокнами перпендикулярно оси вращения, причем пропитку ведут при скорости вращения 6... 10 м/с в течение 15...20 мин, а сушку при скорости 60...80 м/с в течение

15.. .20 мин.

После этого заготовки располагают с направлением волокон параллельно оси вращения, повышают температуру до 85...90 °С, создают разряжениие

40.. .50 кПа и при линейной скорости вращения 80...100 м/с в течение 4...6 мин на 1 мм толщины заготовки осуществляют дополнительную сушку и одновременно уплотнение при удельном давлении 600...700 кПа. Все операции происходят в герметической установке на базе центрифуги (рис. 84 ).

Установка состоит из каркаса и вала, на последнем крепится пропиточная емкость, снабженная уплотнением. На корпусе установлены матрицы, в которые укладываются заготовки древесины. При выполнении операции прессования на заготовки накладываются пуансоны.

Рис. 84 Схема установки и пропитки, сушки и прессования древесины в режиме пропитки (а), и режиме прессования (б): 1- каркас; 2- вал;

3- пропиточная емкость; 4- пуансон; 5- матрицы; 6- заготовки

Заготовки из древесины с влажностью 60... 120 % помещают в матрицы так, чтобы направление волокон было перпендикулярно оси вращения. Включают установку, и при линейной скорости вращения 6... 10 м/с в течение 15...20 мин пропитывают заготовки древесины раствором карбамида. После завершения операции пропитки скорость вращения увеличивают до 60...80 м/с и обезвоживают древесину до влажности 45...50% в течение 15...20 мин. Затем заготовки древесины помещают в положение, при котором направление волокон древесины параллельно оси вращения, и устанавливают пуансоны. Повышают температуру до 85...90 °С, создают разряжение 40.. .50 кПа и доводят линейную скорость до 80... 100 м/с. При этом одновременно происходят процессы сушки и прессования. Этот способ особенно эффективен при пропитке древесины суспензиями. Использование центробежных сил позволяет не только увеличивать, но и снижать плотность древесины. До сих пор уменьшить плотность древесины можно было лишь путем разрушения ее строения. При этом древесину обрабатывали сильными химическими реагентами (кислотами, щелочами, окислителями и др.) либо воздействовали на нее дереворазрушающими грибами. В то же время применение совокупности известных средств, используемых для увеличения плотности древесины (обработка аммиаком, сушка, силовое воздействие), позволяет получить древесину пониженной плотности за счет увеличения объема.

Объем древесины увеличивается за счет перевода древесины в сверх набухшее состояние и последующего силового воздействия путем растяжения древесины поперек волокон во взаимно перпендикулярных направлениях. Растяжение древесины осуществляют под действием центробежных сил, при этом заготовку располагают так, чтобы ее вертикальная ось, параллельная волокнам, совпадала с осью вращения. Установка для увеличения объема древесины показана на рис. 85. Она включает центрифугу, помещенную в сушильную камеру, снабженную нагревателями. На вертикальном валу центрифуги крепится заготовка древесины. Камера имеет канал для отвода выделяющегося аммиака.

Рис. 85 установка для получения модифицированной древесины пониженной плотности: 1-центрифуга; 2-сушильная камера; 3-нагреватель; 4-

вертикальный вал центрифуги; 5-заготовка; 6-канал для отвода аммиака

Цилиндрические или прямоугольные заготовки древесины мягких лиственных пород пропитывают в жидком аммиаке до предела набухания. В жидком аммиаке предел набухания вдвое выше, чем в воде, и составляет 32 %. Поеле этого заготовку помещают в сушильную камеру таким образом, чтобы вертикальная ось заготовки, параллельная оси волокон, совпадала с осью вращения центрифуги. После этого температуру в камере доводят до 95... 105 °С, а

частоту вращения центрифуги до 2000 мин'¹ и сушат заготовки под растягивающими напряжениями При этом частоту вращения центрифуги плавно увеличивают до 8000 мин’¹ по мере увеличения жесткости древесины вследствие десорбции аммиака. Такое ограничение частоты вращения центрифуги обусловлено тем, что растягивающие напряжения не должны превышать предела прочности древесины при растяжении для каждого ее состояния, зависящего от температуры, влажности и количества пластификатора. В начале процесса центрифугирования предел прочности древесины на растяжение при температуре 95 °С и избытке аммиака составляет 2,5 МПа, а напряжение центрифуги при частоте вращения 2000 мин’¹ - 2,2 МПа. В конце процесса предел прочности древесины увеличивается до 9 МПа, а растягивающие напряжения центрифуги до 8,8 МПа. Температура процесса должна составлять 95... 105 °С. При температуре менее 95 °С десорбция аммиака происходит медленно и продолжительность сушки значительно увеличивается. При температуре выше 105 °С начинаются процессы термодеструкции древесины, снижающие ее прочность. Окончание процесса определяют по прекращению поступления аммиака через канал в камеру. Продолжительность реализации способа, включая пропитку и сушку, зависит от размеров заготовки и составляет 1...3 часов. Растягивающие напряжения в древесине можно развивать за счет действия не только центробежных сил, но и растяжения образца древесины прямоугольного сечения в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В результате сушки под растягивающими напряжениями объем заготовки увеличивается дополнительно на 7...8 %, в том числе для радиального направления - на 2,5...3 %, для тангенциального - на 4,5...5 %. Таким образом, общее увеличение объема заготовки после разбухания и сушки составляет 39.. .40 %.

Для получения модифицированной древесины низкой плотности по предлагаемому способу можно использовать древесину мягких лиственных пород, среди которых древесина тополя наиболее предпочтительна, так как ее плотность составляет 300...350 кг/м³ и при ее обработке возможно получение модифицированной древесины с плотностью 200 кг/м³. Получаемый материал по своим физико-механическим характеристикам является аналогом древесины бальзового дерева и его целесообразно применять там же, где применяют баль- зовое дерево, например для прокладок в лыжах. При этом затраты на модифицирование, древесины компенсируются увеличением объема древесины, и стоимость 1 м³ древесины не возрастает.

Все современные способы уплотнения древесины базируются на приложении прессующего усилия к древесине извне, что вызывает изменение ее микро- и макроструктуры, т.е. сплющивание клеток и сосудов, изгибание годичных слоев и сердцевинных лучей, разрывы перфораций и расслоение клеточных стенок. Вследствие этого показатели физико-механических свойств получаемой древесины недостаточно высоки. Например, при увеличении плотности древесины за счет сжатия вдвое статическая прочность и твердость возрастают в

1,5... 1,7 раза, динамическая прочность увеличивается всего на 15...20 %.

В то же время возможно использовать для уплотнения силы, развиваемые древесиной, т.е. силы разбухания и усушки. Для этого предварительно пластифицированные карбамидом заготовки устанавливают в обойму, внутренние контуры которой соответствуют наружным боковым контурам заготовки, увлажняют до достижения предела водопоглощения и высушивают до постоянной массы, после чего операции установки в обойму, увлажнения и сушки повторяют до достижения требуемой плотности древесины. При помещении древесины в воду происходит поглощение воды древесиной, и в ней развиваются силы разбухания. Эти силы стремятся увеличить объем древесины, но этому препятствует металлическая обойма. Поэтому силы разбухания вызывают уменьшение полостей клеток, т.е. происходит самопрессование древесины, которое закрепляется последующей усушкой. Заготовки выдерживают в воде до достижения предела водопоглощения. После этого заготовки в обойме помещают в сушильный шкаф и высушивают при температуре 95... 100 °С до постоянной массы. Затем заготовку извлекают из обоймы и помещают в другую обойму меньшего размера, внутренние размеры которой соответствуют наружным боковым размерам заготовки после усушки. Далее операции увлажнения и сушки повторяют в обоймах с соответственно уменьшающимися внутренними размерами до достижения плотности древесины 900... 1300 кг/м³.

Впитывание и испарение влаги происходят через свободные торцевые поверхности заготовки. Вместо набора пресс-форм можно использовать универсальную обойму с подвижными стенками, в которой происходит фиксация с помощью спирали, соединенной с гайкой, стопорящей стенки пресс-формы. Эта пресс-форма работает автоматически, но позволяет фиксировать только две боковые стенки заготовки. Для фиксации четырех сторон стенки пресс-формы должны быть подвижными и выполнены в виде клиньев (рис. 86). Плотность древесины возрастает с каждым циклом увлажнения и высушивания (табл. 30).

Рис. 86 Пресс-форма для самопрессования заготовок из древесины:

1-опорная плита; 2-гайки; 3-направляющие колонки; 4-верхняя подвижная плита; 5-неподвижные боковые стенки; 6,7,8-клинья; 9-упорная планка; 10-

шарнирный паралелограмм; 11-стопор; 12-пружина; 13-заготовки древесины; 14 - винт; 15 - заготовка древесины

Микроструктура древесины, получаемой методом самопрессования значительно отличается от микроструктуры прессованной древесины, Так, у древесины осины, полученной методом увлажнения и сушки, строение почти не отличается от строения натуральной древесины твердых пород (рис. 87), т.е. у нее сохраняется природная структура. Вследствие этого значительно увеличиваются динамические характеристики древесины. Как видно из табл. 31, статические показатели прочности в 1,5, а динамические в 3...3,5 раза выше, чем у прессованной древесины.

Таблица 30

Изменение плотности и геометрических размеров древесины в циклах увлажнения и сушки

Примечание: Числитель - береза, знаменатель - осина.

Таблица 31

Физико-механические свойства модифицированной древесины

Примечание: * - самопрессованная, ** - прессованная.

Описанный способ получения модифицированной древесины на первый взгляд может показаться длительным. Однако если первое высушивание древесины совместить с пропиткой, помещая заготовки в расплав карбамида, то длительность этой операции составит 0,5...1 ч. Если древесину увлажнять под давлением, то длительность этой операции-также составит 0,5... 1 ч. Наконец, если высушивание проводите вакуумно-импульсным методом, то сушка займет 4...6 ч. Таким образом, общая продолжительность процесса не превысит 1...8 ч на 1 цикл или 35...40 ч на 5 циклов до достижения наиболее используемой плотности древесины 1100 кг/м³. Такова же длительность получения прессованной древесины по методу с предварительным прогревом или лигнамона.

Необходимо отметить, что наибольшее приращение плотности происходит после первого цикла увлажнения и сушки (на 190...220 кг/м³). Это позволяет без использования прессов за один цикл получать из древесины березы модифицированную древесину, аналогичную древесине бука.

Рис. 87 Микроструктура торцовой поверхности древесины осины, полученной самопрессованием (ув.х400)

Еще одним важным моментом сокращения длительности технологического процесса является исключение операции термообработки при температуре 140... 170 °С в течение 3...6 ч. С целью исключения этой операции предлагается ввести в состав пропиточного раствора уротропин (гексаметилентетрамин), в присутствии которого карбамид тримеризуется и связывается с компонентами древесины уже при температуре 90... 120 °С, т.е. формостабилизацию заготовок осуществляют в процессе сушки. Существо способа заключается в том, что 30 %-ный водный раствор карбамида подкисляют до pH 6,4...6,5 и добавляют в него уротропин в количестве 6..Л0 % массы сухого карбамида. Пропитка древесины раствором карбамида, содержащем 6... 10 % массы сухого карбамида, в слабокислой среде приводит к тому, что в процессе сушки при температуре 90... 120 °С уротропин реагирует с карбамидом, образуя олигомеры, которые соединяются с компонентами древесины. В результате уплотненная древесина приобретает формостабильность в среде с переменной влажностью. Содержание уротропина 6... 10 % массы сухого карбамида является оптимальным, исходя из того, что концентрация менее 6 % недостаточна для полного связывания карбамида и его несвязанная часть приводит к разбуханию древесины, а концентрация более 10 % является избыточной и не влияет на формостабильность древесины. Экспериментальные данные о влиянии концентрации уротропина приведены в табл. 32.

Таблица 32

Кислотность раствора pH 6,4...6,5 является оптимальной, так как при большей кислотности в древесине возможен процесс гидролиза, что приводит к потере прочности, а при меньшей кислотности уротропин делается инертным к карбамиду и реакция олигомеризации не проходит количественно. Способ осуществляется следующим образом. Готовят 30 %-ный раствор карбамида, в который добавляют уротропин в количестве 6... 10 % массы сухого карбамида и раствор подкисляют соляной кислотой до pH 6,4...6,5. В раствор загружают заготовки древесины и выдерживают до достижения содержания карбамида в древесине 10... 15 % массы сухой древесины. После этого заготовки помещают в установку для сушки под давлением 0,5... 1,2 МПа, где высушивают их до влажности 3...5 % при температуре от начальной 90 °С до конечной 120 °С.

Самым прогрессивным способом уплотнения древесины является ее прокатка, или штамповка. Однако современные способы прокатки не позволяют получить качественный материал, поскольку известные пластификаторы (аммиак, карбамид и др.) не обеспечивали достаточной пластичности древесины. В то же время существуют способы пластификации древесины ацетилированием ангидридами высших жирных кислот (лауриновой и др.), в результате чего древесина приобретает способность к растворению в органических растворителях. При использовании ангидрида масляной кислоты (Т_кип=199 °С) образуется масляная кислота (Т_кип=163 °С), поэтому если реакция проходит при температуре

140.. . 150 °С в течение 2...3 ч, образующаяся масляная кислота испаряется и удаляется из зоны реакции, и процесс проходит количественно. В результате в древесине фиксируется 8... 10 % массы древесины ацильных групп масляной кислоты, а степень конверсии гидроксильных групп целлюлозы достигает 13 %, что обеспечивает эффект термопластификации древесины. При этом отпадает необходимость дополнительной операции удаления продукта реакции.

Существующие способы введения низкомолекулярных жидкостей в древесину (автоклавный и др.)имеют тот недостаток, что при пропитке вводится большое количество жидкости (50... 150 % массы древесины). Чтобы ввести жидкость в меньших количествах, необходимо использовать растворитель. Удаление избытка пропиточной жидкости или растворителя значительно удлиняет и усложняет процесс модифицирования. Использование жидкости в виде аэрозоля позволяет вводить ее в древесину в малых количествах (1...30 %) с равномерным распределением по объему заготовки. Для нашего случая оптимальное содержание ангидрида масляной кислоты (15...20 %) достигается пропиткой аэрозолем концентрацией 8... 10 % под давлением 2...3 атм.

Способ осуществляется следующим образом. Заготовки древесины влажностью 5... 15 % помещают в автоклав, куда из эжектора закачивают аэрозоль ангидрида масляной кислоты концентрацией 8...10 % для создания давления

2.. .3 атм, и выдерживают их при этом давлении 10... 15 мин для равномерного распределения ангидрида по сечению заготовки. После этого откачивают аэрозоль из автоклава, давление при этом падает до атмосферного. Температуру в автоклаве повышают до 140... 150 °С и выдерживают в течение 2...3 ч. Выделяющаяся масляная кислота конденсируется на холодильнике и отправляется на регенерацию ангидрида. Полученные заготовки уплотняют в прессах штампованием или прокатывают в прокатных станах при температуре 150 °С до плотности 900... 1200 кг/м³ с приданием определенного профиля. Общая продолжительность процесса составляет 4 ч. Модифицирования древесина, получаемая по предложенному способу, обладает термопластичностью, т.е. способностью после уплотнения сохранять приданную ей форму и не требует дополнительной стабилизации длительной сушкой или другими методами.

Для увеличения теплопроводности древесины применяют пропитку металлами или кремнийорганическими соединениями. Берут заготовки древесины мягких лиственных пород в виде брусков влажностью 10... 15% толщиной, равной толщине втулки с припуском на обточку. Бруски помещают в автоклавы для пропитки с торца под давлением и пропитывают 30...40 %-ной суспензией бериллийсодержащей кремнийорганической пасты, например КПТ-8, в поли- этилгидросилоксане под давлением 5...8МПа. Концентрация пасты в суспензии должна быть не менее 30 %, иначе содержание пасты в древесине будет низким, и теплопроводность древесины незначительной.

Суспензия бериллийсодержащей кремнийорганической пасты в поли- этилгидросилоксане представляет собой вязкую жидкость, содержание суспензии в древесине (по отношению к массе абс. сухой древесины) не превышает 60 %. Поэтому содержание пасты в древесине составляет 18...20 %.

Теплопроводность модифицированной древесины березы в зависимости от концентрации пасты в суспензии приведена в табл. 33.

Пропитка проводится с одного торца заготовки, причем ход штока гидроцилиндра в автоклаве делается меньше толщины заготовки на величину допустимого износа будущей втулки (обычно 1.. .5 мм).

Таблица 33

После завершения пропитки на заготовки наносят клей, собирают в обойме, помещают в пресс-форму и прессуют с одновременным формированием втулки. При этом внутренняя поверхность втулки оказывается непропитанной. После сушки втулки обтачивают в размер и пропитывают внутреннюю не- пропитанную зону антифрикционным составом, например смесью масла с церезином.