RU2098268C1 - Method of production of packed modified wood and products from it - Google Patents

Abstract

FIELD: woodworking industry, in particular, wood modification. SUBSTANCE: wood is saturated with acetylizing reagent, placed between squeezing surfaces heated to the boiling point of reaction products, but not higher than to 200 C, and squeezed, thus combining the stages of acetylization, removal of reaction products and pressing. In the first variant wood is initially heated between the heated squeezing surfaces for 0.5 to 2 min/mm of the initial thickness. In the second variant wood is initially heated and squeezed by the heated squeezing surfaces at a rate of 0.5 to 5 mm/min to the preset thickness. To enhance the wood plasticity, the acetylizing reagent includes up to 50% by mass of formic acid. EFFECT: simplified operation of woodworking and reduced duration of modification process. 4 cl

Description

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано при получении модифицированной древесины и изделий из нее. The invention relates to the woodworking industry and can be used to obtain modified wood and products from it.

Известен способ изготовления уплотненной древесины, включающий обработку древесины газообразным аммиаком, ацетилирование продуктом конденсации уксусного ангидрида и анилина с последующим горячим прессованием [1]
Недостатком этого способа является большая продолжительность процесса. Кроме того, применение для предварительной обработки древесины газообразного аммиака требует использования автоклава и принятия специальных мер по предотвращению попадания взрывоопасного и ядовитого аммиака в атмосферу.A known method of manufacturing compacted wood, including the processing of wood with gaseous ammonia, acetylation by the condensation product of acetic anhydride and aniline, followed by hot pressing [1]
The disadvantage of this method is the long duration of the process. In addition, the use of gaseous ammonia for pre-treatment of wood requires the use of an autoclave and special measures to prevent the release of explosive and toxic ammonia into the atmosphere.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ получения модифицированной древесины (выбранный за прототип), включающий пропитку древесины аэрозолем ангидрида масляной кислоты под давлением, одновременное ацетилирование и удаление продуктов реакции с последующим прессованием [2]
Недостатком этого способа также является многоэтапность и продолжительность процесса и необходимость использования автоклава. Помимо этого прессование ацетилированной этим способом древесины даже мягких пород требует значительного давления.Closest to the proposed solution is a method of producing modified wood (selected for the prototype), including impregnating wood with aerosol of butyric acid anhydride under pressure, simultaneous acetylation and removal of reaction products with subsequent pressing [2]
The disadvantage of this method is the multi-stage and duration of the process and the need to use an autoclave. In addition, pressing even softwood acetylated in this way requires considerable pressure.

Основной задачей предлагаемого технического решения является упрощение операций по обработке древесины и сокращение продолжительности процесса модификации. The main objective of the proposed technical solution is to simplify wood processing operations and reduce the duration of the modification process.

Поставленная задача решается следующим образом. В предлагаемом способе насыщение древесины ацетилирующим реагентом проводят любым известным способом, например погружением ее в ацетилирующий реагент при нормальных условиях. Процесс ацетилирования, удаления продуктов реакции и прессования совмещают. Это достигается тем, что древесину, насыщенную ацетилирующим реагентом, помещают между обжимающими поверхностями, нагретыми до температуры кипения продуктов реакции, но не более 200^oC, и сдавливают до заданной толщины. Нагрев выше 200^oC нецелесообразен из-за ускорения процессов термодеструкции древесины, а использование температуры ниже температуры кипения продуктов реакции, как показали исследования, замедляет процесс удаления кислоты из древесины. Поскольку температуры кипения органических кислот различны, нижний предел температурного интервала определяется в каждом конкретном случае температурой кипения выделяющейся кислоты. В пределах от температуры кипения продуктов реакции до 200^oC выбор температурных параметров зависит и от других технологических условий. В частности, чем выше температура, тем быстрее и полнее происходит удаление продуктов реакции, но и тем темнее цвет получаемой древесины. Таким образом, кроме вышеупомянутых преимуществ предлагаемый способ дает возможность регулировать интенсивность цвета получаемой после обработки древесины, что расширяет ее декоративные свойства.The problem is solved as follows. In the proposed method, the saturation of wood with an acetylating reagent is carried out in any known manner, for example, by immersing it in an acetylating reagent under normal conditions. The process of acetylation, removal of reaction products and pressing combine. This is achieved by the fact that wood, saturated with an acetylating reagent, is placed between the pressing surfaces heated to the boiling point of the reaction products, but not more than 200 ^o C, and squeezed to a predetermined thickness. Heating above 200 ^o C is impractical due to the acceleration of thermal decomposition of wood, and the use of temperatures below the boiling point of reaction products, studies have shown that slows down the process of removing acid from wood. Since the boiling points of organic acids are different, the lower limit of the temperature range is determined in each case by the boiling point of the liberated acid. In the range from the boiling point of the reaction products to 200 ^o C, the choice of temperature parameters depends on other technological conditions. In particular, the higher the temperature, the faster and more complete the removal of reaction products occurs, but also the darker the color of the resulting wood. Thus, in addition to the above advantages, the proposed method makes it possible to adjust the color intensity obtained after processing wood, which expands its decorative properties.

В зависимости от возможностей применяемого прессового оборудования и конкретных технологических задач осуществление процесса модификации возможно в двух вариантах. Depending on the capabilities of the used press equipment and specific technological tasks, the implementation of the modification process is possible in two versions.

1. Насыщенную ацетилирующим реагентом древесину выдерживают в контакте с обжимающими поверхностями до полного прогрева, а затем сдавливают до заданной толщины. Поскольку в этом варианте реакция ацетилирования большей частью проходит до прессования, существенным является время прогрева заготовки, а скорость сдавливания древесины определяется мощностью прессового оборудования и степенью сопротивления древесины деформированию. Как показали эксперименты, при времени прогрева, меньшем 0,5 мин на каждый миллиметр первоначальной толщины заготовки, древесина прогревается не полностью, реакция ацетилирования проходит частично и большая часть ацетилирующего реагента бесполезно выдавливается из заготовки при прессовании. Время прогрева более 2 мин/мм не дает каких-либо преимуществ и удлиняет технологический процесс. 1. Wood saturated with acetylating reagent is kept in contact with crimping surfaces until it is completely warmed up, and then squeezed to a predetermined thickness. Since in this embodiment, the acetylation reaction mostly takes place before pressing, the heating time of the workpiece is significant, and the speed of compression of the wood is determined by the power of the press equipment and the degree of resistance of the wood to deformation. As experiments have shown, when the heating time is less than 0.5 min for each millimeter of the initial thickness of the preform, the wood does not fully heat up, the acetylation reaction partially takes place and most of the acetylation reagent is squeezed out of the preform uselessly when pressed. A warm-up time of more than 2 min / mm does not give any advantages and lengthens the process.

2. Процесс деформирования и прогрев заготовки проводят одновременно. При этом используется то обстоятельство, что с ростом температуры предел прочности древесины на сжатие снижается. Еще более этот предел снижается в процессе набухания древесины. Поэтому в первую очередь сжимаются участки древесины, прилегающие к нагретым обжимающим поверхностям. Здесь же наиболее активно идет процесс ацетилирования с выделением кислоты. Выделяющаяся кислота вызывает дальнейшее набухание древесины. По мере прогрева зона реакции смещается в глубину заготовки и соответственно распространяется зона сжатия древесины. В этом варианте существенной оказывается скорость деформирования древесины. Как показали опыты, при скорости сдавливания более 5 мм/мин значительная часть ацетилирующего реагента не успевает прореагировать и бесполезно выдавливается из заготовки. Одновременно возрастает сопротивление древесины прессованию. Скорость сдавливания менее 0,5 мм/мин не дает каких-либо технологических преимуществ, неоправданно увеличивая продолжительность процесса. В зависимости от вида ацетилирующего реагента, породы древесины и степени ее насыщения оптимальная скорость прессования варьируется в пределах от 0,5 до 5 мм/мин. 2. The process of deformation and heating of the workpiece is carried out simultaneously. In this case, the circumstance is used that with increasing temperature, the compressive strength of wood decreases. This limit is further reduced in the process of wood swelling. Therefore, in the first place, the areas of wood adjacent to the heated pressing surfaces are compressed. Here, the process of acetylation with the release of acid is most active. The escaping acid causes further swelling of the wood. As it warms up, the reaction zone shifts to the depth of the workpiece and, accordingly, the compression zone of wood spreads. In this embodiment, the deformation rate of wood is significant. As experiments have shown, at a compression speed of more than 5 mm / min, a significant part of the acetylating reagent does not have time to react and is squeezed out of the workpiece uselessly. At the same time, the wood resistance to pressing increases. A compression rate of less than 0.5 mm / min does not give any technological advantages, unreasonably increasing the duration of the process. Depending on the type of acetylating reagent, the wood species and its degree of saturation, the optimal pressing speed varies from 0.5 to 5 mm / min.

Первый вариант процесса более подходит для гидравлических прессов, где контроль скорости перемещения обжимающих поверхностей затруднен. Второй вариант является более подходящим для механических прессов, где легко контролировать скорость перемещения, но затруднен контроль давления. Очевидно, что вполне возможна и комбинация этих вариантов, например частичный прогрев с последующим сдавливанием при контролируемой скорости. В любом варианте процесс заканчивается полным прогревом заготовки до температуры выше температуры кипения кислоты и сжатием древесины до заданной толщины. В результате в конечном продукте остается незначительное количество кислоты, не требующее специальных операций по ее удалению. The first version of the process is more suitable for hydraulic presses, where it is difficult to control the speed of movement of the pressing surfaces. The second option is more suitable for mechanical presses where it is easy to control the speed of movement, but pressure control is difficult. Obviously, a combination of these options is quite possible, for example, partial heating with subsequent compression at a controlled speed. In any case, the process ends with a complete heating of the workpiece to a temperature above the acid boiling point and compression of the wood to a predetermined thickness. As a result, a small amount of acid remains in the final product, which does not require special operations to remove it.

Известно, что наибольший эффект набухания древесины из всех алифатических кислот дает муравьиная кислота, а с ростом молекулярного веса реагента набухание снижается. Поэтому, особенно в случае использования для ацетилирования ангидридов пропионовой, масляной и более высокомолекулярных кислот, для повышения пластичности древесины и возможности использовать более низкое давление при прессовании, в состав ацетилирующего реагента полезно добавлять низкомолекулярную кислоту, предпочтительно муравьиную. Количество муравьиной кислоты в ацетилирующем реагенте может составлять до 50 мас. Более высокое ее содержание может привести к раздавливанию древесины при прессовании (потере связи между годовыми слоями и сдвигу по границам этих слоев). It is known that formic acid gives the greatest swelling effect of wood from all aliphatic acids, and swelling decreases with an increase in the molecular weight of the reagent. Therefore, especially in the case of using propionic, butyric and higher molecular weight acids for acetylation, to increase the plasticity of wood and the possibility of using lower pressure during pressing, it is useful to add low molecular weight acid, preferably formic acid, to the composition of the acetylating reagent. The amount of formic acid in the acetylating reagent can be up to 50 wt. Its higher content can lead to crushing of wood during pressing (loss of bond between annual layers and a shift along the boundaries of these layers).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показал, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что ацетилирование, удаление продуктов реакции и прессование обрабатываемой древесины совмещают путем сдавливания насыщенной ацетилирующим реагентом древесины обжимающими поверхностями, нагретыми до температуры выше температуры кипения продуктов реакции, но не более 200^oC, в состав ацетилирующего реагента добавляют до 50 мас. муравьиной кислоты. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".A comparative analysis of the proposed solution with the prototype showed that the proposed method differs from the known one in that acetylation, removal of reaction products and pressing of the treated wood are combined by compressing the wood saturated with acetylating reagent with crimping surfaces heated to a temperature above the boiling point of the reaction products, but not more than 200 ^o C, in the composition of the acetylating reagent add up to 50 wt. formic acid. Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty."

Анализ известных технических решений в исследуемой области не выявил способов, в которых этапы ацетилирования, удаления продуктов реакции и прессования совмещают. Прогрев древесины посредством нагретых обжимающих поверхностей известен [1] однако в известном способе этот прием применяют только на этапе прессования. Способность органических кислот вызывать набухание древесины и катализировать процесс ацетилирования известна [2] однако в известных способах модифицирования древесины применение муравьиной кислоты не обнаружено. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень". The analysis of known technical solutions in the studied area did not reveal methods in which the stages of acetylation, removal of reaction products and pressing are combined. The heating of wood by means of heated pressing surfaces is known [1]; however, in the known method, this technique is used only at the pressing stage. The ability of organic acids to cause wood swelling and catalyze the acetylation process is known [2]; however, the use of formic acid was not found in known methods of wood modification. This allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of the invention "inventive step".

Пример 1. Заготовку осины размером 70x70x300 мм насыщают смесью масляного ангидрида и муравьиной кислоты в отношении 1 1 до привеса 110% Насыщенный образец помещают между плитами пресса, разогретыми до температуры 200^oC, выдерживают в контакте с плитами 35 мин (по 0,5 мин на каждый мм толщины), затем сжимают давлением 7 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Полученная заготовка имеет плотность 1250 кг/м³, темно-коричневого цвета.Example 1. A preform of aspen of size 70x70x300 mm is saturated with a mixture of butyric anhydride and formic acid in a ratio of 1 1 to a weight gain of 110%. A saturated sample is placed between the press plates heated to a temperature of 200 ^o C, kept in contact with the plates for 35 minutes (0.5 min. per mm of thickness), then compress with a pressure of 7 MPa. The press is cooled and unloaded. The resulting preform has a density of 1250 kg / m ³ , dark brown.

Пример 2. Заготовку осины размером 70x70x300 мм насыщают уксусным ангидридом до привеса 40% Насыщенный образец помещают между плитами пресса, разогретыми до температуры 150^oC, и выдерживают в контакте с плитами 140 мин (по 2 мин на каждый миллиметр толщины), затем сжимают давлением 8 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Получена заготовка плотностью 1180 кг/м³, светло-желтого цвета с четко видимой текстурой.Example 2. A preform of aspen with a size of 70x70x300 mm is saturated with acetic anhydride to a weight gain of 40%. A saturated sample is placed between the press plates heated to a temperature of 150 ^o C and kept in contact with the plates for 140 minutes (2 minutes per millimeter of thickness), then compress by pressure 8 MPa. The press is cooled and unloaded. Received a workpiece with a density of 1180 kg / m ³ , light yellow in color with a clearly visible texture.

Пример 3. Заготовку осины размером 70x70x300 мм насыщают уксусным ангидридом с 10% муравьиной кислоты до привеса 60% помещают между плитами пресса, которые разогревают до температуры 180^oC, и сжимают со скоростью 5 мм/мин в течение 10 мин. Давление прессования за это время возросло до 9,4 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Получена заготовка плотностью 1210 кг/м³, коричневого цвета с темно-коричневыми слоями поздней древесины.Example 3. A preform of aspen of size 70x70x300 mm is saturated with acetic anhydride with 10% formic acid to a weight gain of 60% is placed between the press plates, which are heated to a temperature of 180 ^o C, and compressed at a speed of 5 mm / min for 10 minutes The pressing pressure during this time increased to 9.4 MPa. The press is cooled and unloaded. Received a workpiece with a density of 1210 kg / m ³ , brown in color with dark brown layers of late wood.

Пример 4. Заготовку из осины размером 70x70x300 мм насыщают уксусным ангидридом с 30% муравьиной кислоты до привеса 80% и помещают между плитами пресса, разогретыми до температуры 170^oC, и сжимают со скоростью 0,5 мм/мин в течение 95 мин. Максимальное давление прессования 5,6 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Получена заготовка плотностью 1210 кг/м³, желтого цвета с темно-желтыми слоями поздней древесины.Example 4. A preform of aspen 70x70x300 mm in size is saturated with acetic anhydride with 30% formic acid to an 80% weight gain and placed between press plates heated to a temperature of 170 ^° C and compressed at a speed of 0.5 mm / min for 95 minutes. The maximum pressing pressure is 5.6 MPa. The press is cooled and unloaded. Received a workpiece with a density of 1210 kg / m ³ , yellow with dark yellow layers of late wood.

Пример 5. Заготовку из березы размером 65x85x22 мм смачивают с поверхности уксусным ангидридом с расходом 150 г ангидрида на 1 м² поверхности. Смоченную заготовку помещают в пресс-форму, представляющую собой негативную копию настольной медали с рельефным художественным изображением. Пресс-форму помещают между плитами пресса, разогретыми до температуры 180^oC, прогревают в течение 10 мин и сжимают со скоростью 0,5 мм/мин в течение 24 мин. Конечное давление 9,9 МПа. Пресс охлаждают и разгружают. Получено изделие из модифицированной древесины, точно воспроизводящее рельеф оригинала.Example 5. A birch billet with a size of 65x85x22 mm is wetted from the surface with acetic anhydride at a rate of 150 g of anhydride per 1 m ^{2 of} surface. A moistened blank is placed in a mold, which is a negative copy of a table medal with a relief art image. The mold is placed between the plates of the press, heated to a temperature of 180 ^° C., heated for 10 minutes and compressed at a speed of 0.5 mm / min for 24 minutes. The final pressure is 9.9 MPa. The press is cooled and unloaded. A modified wood product was obtained that accurately reproduces the relief of the original.

Claims (4)

1. Способ получения уплотненной модифицированной древесины и изделий из нее, включающий насыщение древесины ацетилирующим реагентом, ацетилирование, удаление продуктов реакции и горячее прессование, отличающийся тем, что ацетилирование, удаление продуктов реакции и прессование совмещают путем сдавливания насыщенной ацетилирующим реагентом древесины обжимающими поверхностями, нагретыми до температуры выше температуры кипения продуктов реакции, но не более 200^oС, до заданной толщины.1. A method of obtaining a compacted modified wood and wood products, including saturating the wood with an acetylating reagent, acetylation, removal of reaction products and hot pressing, characterized in that acetylation, removal of reaction products and pressing are combined by compressing the wood saturated with acetylating reagent with compression surfaces heated to temperatures above the boiling point of the reaction products, but not more than 200 ^o C, to a predetermined thickness. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщенную ацетилирующим реагентом древесину прогревают между нагретыми обжимающими поверхностями в течение 0,5 2,0 мин на каждый 1 мм первоначальной толщины, а затем сдавливают до заданной толщины. 2. The method according to claim 1, characterized in that the wood saturated with acetylating reagent is heated between heated crimping surfaces for 0.5 to 2.0 minutes for each 1 mm of the original thickness, and then squeezed to a predetermined thickness. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщенную ацетилирующим реагентом древесину сдавливают нагретыми обжимающими поверхностями со скоростью 0,5 5,0 мм/мин до заданной толщины. 3. The method according to claim 1, characterized in that the wood saturated with acetylating reagent is squeezed by heated compressing surfaces at a speed of 0.5 to 5.0 mm / min to a predetermined thickness. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют ацетилирующий реагент, включающий до 50 мас. муравьиной кислоты. 4. The method according to claim 1, characterized in that they use an acetylating reagent, including up to 50 wt. formic acid.