RU2109626C1 - Method of change of wood physico-mechanical properties - Google Patents

Abstract

FIELD: change of wood physico-mechanical properties. SUBSTANCE: wood is placed in a sealed chamber. Then vacuum up to 0.03 MPa is built in the chamber by evacuating air from it by a vacuum pump. After evacuation of air gaseous ammonia is fed to the chamber under pressure. Then wood is heated to a temperature of 80 to 85 deg. C by heating up the chamber by steam. After that wood is subjected to chemical treatment by circulation of gas-ammonia mixture in the chamber. Pressure, rarefaction and temperature in chamber 1 are monitored by reference to a pressure gauge, vacuum gauge and thermometer respectively. On completion of wood treatment by ammonia, pressure in the chamber is reduced to the atmospheric one (0.1 MPa). After atmospheric pressure is attained in the chamber, vacuum is built in it up to 0.03 MPa. Then pressure in the chamber is increased up to the atmospheric one again by feeding compressed air to it. After the necessary moisture content is attained, wood is ready to thermal treatment at which wood is heated to a temperature of 110 to 120 C and cured at this temperature for 1-5 h. On completion of thermal treatment, the chamber and wood are cooled down to 40-50 C, and wood is unloaded from the chamber. EFFECT: facilitated procedure. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и, в частности, к способам изменения физико-механических свойств древесины. The invention relates to the woodworking industry and, in particular, to methods for changing the physicomechanical properties of wood.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому является способ изменения физико-механических свойств древесины, состоящий в том, что древесину помещают в герметичную камеру, создают в камере вакуум и производят химическую обработку древесины путем подачи в камеру газообразного аммиака под давлением и термообработку древесины при 110 - 120^oC (например, авт. св. СССР N 899349, кл. B 27 K 5/02, 1980).The closest in technical essence and the achieved technical result to the claimed one is a method of changing the physicomechanical properties of wood, which consists in placing the wood in an airtight chamber, creating a vacuum in the chamber and chemically treating the wood by feeding gaseous ammonia under pressure into the chamber and heat treatment wood at 110 - 120 ^o C (for example, ed. St. USSR N 899349, class B 27 K 5/02, 1980).

Недостатком известного способа является повышенный расход аммиака и поэтому повышенные энергозатраты на обработку единицы древесины. Кроме того, известный способ имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку его производственный цикл заканчивается в герметичной камере, что не позволяет осуществлять дальнейшее пластическое формообразование древесины. The disadvantage of this method is the increased consumption of ammonia and therefore the increased energy consumption for processing a unit of wood. In addition, the known method has limited functionality, since its production cycle ends in a sealed chamber, which does not allow for further plastic shaping of wood.

Техническим результатом, на достижение которого направлен заявляемый способ, является снижение энергозатрат на обработку единицы древесины и расширение его функциональных возможностей за счет того, что производственный цикл может продолжаться и за пределами герметичной камеры, что позволяет осуществлять пластическое формообразование древесины путем ее изгиба, уплотнения и нанесения на поверхность рельефного рисунка. Кроме того, заявляемый способ позволяет использовать и соответственно расширить область применения древесины сравнительно малоценных пород (ольха, осина, береза и др.) вместо дефицитной дорогостоящей древесины ценных пород (орех, красное дерево и др. ). Расширяется также возможность применения древесины малоценных пород в строительстве, мебельной промышленности, декоративном искусстве и других отраслях народного хозяйства. The technical result, which is achieved by the claimed method, is to reduce energy consumption for processing a unit of wood and expand its functionality due to the fact that the production cycle can continue outside the sealed chamber, which allows plastic forming of wood by bending, compaction and applying to the surface of the relief pattern. In addition, the inventive method allows you to use and accordingly expand the scope of wood of relatively low-value species (alder, aspen, birch, etc.) instead of scarce expensive wood of valuable species (walnut, mahogany, etc.). The possibility of using wood of low value species in construction, furniture industry, decorative art and other sectors of the economy is also expanding.

Для достижения указанного технического результата в известном способе изменения физико-механических свойств древесины, состоящем в том, что древесину помещают в герметичную камеру, создают в камере вакуум и производят химическую обработку древесины путем подачи в камеру газообразного аммиака под давлением, перед помещением в камеру влажность древесины доводят до 7 - 15%, после подачи аммиака нагревают древесину до 80 - 85^oC, аммиак подают под давлением не выше 0,17 МПа, затем снижают давление в камере до атмосферного и создают в ней вакуум до величины 0,03 МПа для отсасывания паров непрореагировавшего аммиака, после чего вновь поднимают давление в камере до атмосферного и производят термообработку древесины, причем перед термообработкой осуществляют сушку древесины до получения ее влажности 5 - 6%, а термообработку проводят в герметичной камере путем нагрева ее до 110 - 120^oC и выдерживают при этой температуре в течение 1 - 5 ч до получения ее требуемой тональности, а сушку древесины осуществляют путем циклического изменения температуры и давления в камере одновременным повышением температуры до 85^oC и давлении до 0,17 МПа, и последующим снижением температуры до 60^oC и давления до 0,03 МПа, причем термообработку можно производить не в герметичной камере, а в пресс-форме, в которой одновременно проводят формообразование и сушку древесины.To achieve the specified technical result in the known method of changing the physicomechanical properties of wood, consisting in the fact that the wood is placed in an airtight chamber, a vacuum is created in the chamber and the wood is chemically treated by supplying gaseous ammonia under pressure into the chamber, before the wood moisture is placed in the chamber was adjusted to 7 - 15%, after the timber is heated ammonia to 80 - 85 ^o C, the ammonia is fed at a pressure above 0.17 MPa, and then reduce the chamber pressure to atmospheric pressure and create a vacuum therein to a 0.03 MPa to suck off the vapors of unreacted ammonia, after which they again raise the pressure in the chamber to atmospheric and heat-treat the wood, and before heat treatment, the wood is dried to obtain its moisture content of 5-6%, and heat treatment is carried out in a sealed chamber by heating it to 110 - 120 ^o C and maintained at this temperature for 1 to 5 hours to obtain its desired tonality, and the wood is dried by cyclically changing the temperature and pressure in the chamber while increasing temperatures up to 85 ^o C and pressure up to 0.17 MPa, and then lowering the temperature to 60 ^o C and pressure up to 0.03 MPa, moreover, heat treatment can be performed not in a sealed chamber, but in a mold in which shaping is simultaneously carried out and drying wood.

На чертеже изображена схема установки для осуществления заявляемого способа. The drawing shows a diagram of the installation for the implementation of the proposed method.

Для осуществления способа изменения физико-механических свойств древесины в герметичную камеру 1 помещают древесину 2 (заготовки изделий - пиломатериалы из ольхи, березы, осины и других пород дерева) с требуемой исходной влажностью 7 - 15%. Использование древесины с влажностью менее 7% не обеспечивает достаточного выражения текстуры древесины и ее окрашивания. Использование древесины влажностью более 15% резко увеличивает выход побочной продукции, в частности, аммиачной воды. Затем в камере снижают давление (создают вакуум) до 0,03 МПа путем откачивания из нее воздуха посредством вакуум-насоса 3 через магистраль 4 при открытом вентиле 5 и направления воздуха по магистрали 6 при открытых вентилях 7 и 8 в атмосферу. После откачивания воздуха вентили 5, 7 и 8 закрываются. Затем по магистрали 9 при открытых вентилях 10 и 11 в камеру 1 подают под давлением газообразный аммиак, после чего вентили 10 и 11 закрывают. Затем подогревают древесину 2 до 80 - 85^oC путем разогрева камеры 1 паром, подаваемым по магистрали 12 при открытых вентилях 13 и 14 в паропроводы 15. Разогрев камеры может быть осуществлен также встроенными в нее ТЭНами или источником ТВЧ. После этого производят химическую обработку древесины путем организации циркуляции в камере 1 газоаммиачной смеси от вентилятора 16, магистраль 17 которого введена в камеру 1 и сообщается с ней при открытом вентиле 18, а магистраль 19 при открытых вентилях 20 и 7 сообщается через магистраль 6 с атмосферой. Вентилятор может быть встроен непосредственно в камеру 1. Химическую обработку древесины производят при режимах, обеспечивающих оптимальные технико-экономические показатели процесса, а именно, при указанной температуре и давлении не выше 0,17 МПа. Давление, разрежение и температуру в камере 1 контролируют по манометру 21, вакуумметру 22 и термометру 23. При этом благодаря тому, что аммиак вступает в химическое взаимодействие с древесиной и впитывается ею, его объем уменьшается и давление в камере падает. Для поддержания давления в камеру 1 подают дополнительные порции аммиака по магистрали 9 при открывании вентилей 10 и 11. Процесс химической обработки древесины считают законченным, если течение 2 ч давление в камере не уменьшается. После окончания процесса обработки древесины аммиаком давление в камере 1 снижают до атмосферного (0,1 МПа) путем открытия вентилей 7 и 24. После достижения в камере 1 атмосферного давления закрывают вентиль 24 и вакуум-насосом 3 создают в камере 1 вакуум до величины 0,03 МПа при открытых вентилях 5, 8 и 7, после чего эти вентили закрывают. Вакуумирование камеры осуществляют для отсасывания паров непрореагировавшего аммиака. Затем давление в камере 1 вновь повышают до атмосферного путем подачи в нее сжатого воздуха при открытии вентилей 25 и 11 и закрытии вентилей 10 и 14. Если остаточная влажность древесины после открытия камеры 1 будет более 5 - 6%, то камеру закрывают и заполняют ее новой порцией сухого воздуха, доводя температуру древесины до 60 - 85^oC. При этом сушку древесины осуществляют путем циклического изменения температуры и давления в камере 1 одновременным повышением температуры до 85^oC и давления до 0,17 МПа и последующим снижением температуры до 60^oC и давления до 0,03 МПа. После достижения необходимой указанной влажности древесины она готова к процессу термообработки. При проведении термообработки в камере 1 древесину 2 нагревают до 110 - 120^oC путем разогрева камеры, как это было указано выше, и выдерживают при этой температуре в течение 1 - 5 ч. При выборе температуры термообработки следует иметь в виду, что при температуре древесины более 120^oC и влажности более 6% происходит гидролиз древесины, что снижает ее прочность и ухудшает качество окраски. При температуре ниже 110^oC и влажности менее 5% также ухудшается качество окраски древесины. После окончания процесса термообработки камеру и древесину охлаждают до 40 - 50^oC и древесину выгружают из камеры. При этом древесина имеет влажность 5 - 6% (равновесная влажность в нормальных эксплуатационных условиях составляет 12 - 15%).To implement the method of changing the physicomechanical properties of wood, wood 2 is placed in an airtight chamber 1 (product blanks are sawn timber from alder, birch, aspen and other wood species) with a required initial moisture content of 7-15%. The use of wood with a moisture content of less than 7% does not provide sufficient expression of the texture of the wood and its staining. The use of wood with a moisture content of more than 15% dramatically increases the yield of by-products, in particular ammonia water. Then, the pressure in the chamber is reduced (a vacuum is created) to 0.03 MPa by pumping air out of it by means of a vacuum pump 3 through line 4 with open valve 5 and directing air along line 6 with open valves 7 and 8 to the atmosphere. After pumping air, valves 5, 7, and 8 close. Then, along the line 9, with open valves 10 and 11, gaseous ammonia is supplied into the chamber 1 under pressure, after which the valves 10 and 11 are closed. Then the wood 2 is heated up to 80 - 85 ^o C by heating the chamber 1 with steam supplied through line 12 with open valves 13 and 14 to the steam lines 15. The chamber can also be heated by heating elements built into it or a high-frequency source. After that, the wood is chemically treated by circulating gas and ammonia mixture in the chamber 1 from the fan 16, the line 17 of which is introduced into the chamber 1 and communicates with it with the open valve 18, and the main 19 with the open valves 20 and 7 communicates via the highway 6 with the atmosphere. The fan can be integrated directly into the chamber 1. Chemical treatment of wood is carried out under conditions that provide optimal technical and economic indicators of the process, namely, at the indicated temperature and pressure not higher than 0.17 MPa. The pressure, vacuum and temperature in the chamber 1 are controlled by a manometer 21, a vacuum gauge 22 and a thermometer 23. Moreover, due to the fact that ammonia enters into chemical interaction with wood and is absorbed by it, its volume decreases and the pressure in the chamber decreases. To maintain pressure, additional portions of ammonia are fed into the chamber 1 along the line 9 when valves 10 and 11 are opened. The process of chemical treatment of wood is considered complete if the pressure in the chamber does not decrease within 2 hours. After the process of wood processing with ammonia is completed, the pressure in the chamber 1 is reduced to atmospheric (0.1 MPa) by opening the valves 7 and 24. After reaching the atmospheric pressure in the chamber 1, the valve 24 is closed and the vacuum pump 3 creates a vacuum in the chamber 1 to a value of 0, 03 MPa with open valves 5, 8 and 7, after which these valves are closed. The chamber is evacuated to aspirate the vapors of unreacted ammonia. Then the pressure in the chamber 1 is again increased to atmospheric by supplying compressed air to it when the valves 25 and 11 are opened and the valves 10 and 14 are closed. If the residual moisture of the wood after opening the chamber 1 is more than 5 - 6%, then the chamber is closed and filled with a new one a portion of dry air, bringing the wood temperature to 60 - 85 ^o C. In this case, the wood is dried by cyclically changing the temperature and pressure in chamber 1 by simultaneously raising the temperature to 85 ^o C and pressure to 0.17 MPa and then lowering the temperature to 60 ^o C and crushed up to 0.03 MPa. After reaching the required specified moisture content of the wood, it is ready for the heat treatment process. When conducting heat treatment in chamber 1, wood 2 is heated to 110 - 120 ^o C by heating the chamber, as described above, and maintained at this temperature for 1 to 5 hours. When choosing a heat treatment temperature, it should be borne in mind that at wood temperature more than 120 ^o C and a moisture content of more than 6% hydrolysis of wood occurs, which reduces its strength and affects the quality of the color. At temperatures below 110 ^o C and humidity less than 5%, the color of the wood also deteriorates. After the heat treatment process, the chamber and wood are cooled to 40 - 50 ^o C and the wood is unloaded from the chamber. In this case, the wood has a moisture content of 5–6% (equilibrium humidity under normal operating conditions is 12–15%).

Полученная древесина (заготовки изделий - пиломатериалы) характеризуется следующим:
- не содержит химически несвязанного с древесиной аммиака и является экологически чистой;
- имеет ярко выраженную текстуру;
- имеет тональность окрашивания от светло-коричневой до темно-коричневой с красновато-желтым оттенком в зависимости от длительности и режимов термообработки,
- показатели механических свойств (плотность, прочность при сжатии вдоль волокон, при статическом изгибе, при скалывании вдоль волокон) в нормальных эксплуатационных условиях равны или больше соответствующих показателей исходной древесины, а показатели физических свойств (водопоглощение, радиальное, тангенциальное и объемное разбухание) меньше, чем у исходной древесины.The resulting wood (product blanks - lumber) is characterized by the following:
- does not contain ammonia chemically unrelated to wood and is environmentally friendly;
- has a pronounced texture;
- has a tonality of dyeing from light brown to dark brown with a reddish-yellow hue, depending on the duration and heat treatment modes,
- indicators of mechanical properties (density, compressive strength along the fibers, during static bending, when chipping along the fibers) under normal operating conditions are equal to or greater than the corresponding parameters of the source wood, and the indicators of physical properties (water absorption, radial, tangential and volumetric swelling) are less, than the original wood.

При проведении термообработки в обогреваемой пресс-форме термообработку возможно совмещать с сушкой и формообразованием (формоизменением заготовок, при котором можно достигнуть их уплотнения, повышения прочности, снижения влагопоглощения или влагонабухания, изгиба, нанесения на поверхность рельефного рисунка и т.д.). When carrying out heat treatment in a heated mold, heat treatment can be combined with drying and shaping (shaping blanks, in which they can be densified, increase strength, reduce moisture absorption or moisture swelling, bending, applying a relief pattern to the surface, etc.).

Пример 1. В герметичную камеру помещают заготовки древесины березы размерами 65х180х800 мм с исходной влажностью 14 - 15%, создают в камере вакуум до 0,03 МПа, подают в камеру газообразный аммиак под давлением и подогревают древесину до температуры 80 - 85^oC, проводят химическую обработку древесины газоаммиачной смесью при давлении 0,14 МПа, снижают давление в камере до 0,01 МПа, вакуумируют камеру до давления 0,03 МПа, вновь повышают давление до атмосферного, определяют влажность древесины, осуществляют сушку древесины до влажности 5 - 6%, производят термообработку древесины путем нагрева ее до 113 - 117^oC и выдерживают ее при этой температуре в течение 1 - 5 ч, охлаждают древесину до 40 - 50^oC и выгружают ее из камеры.Example 1. Birch wood blanks of dimensions 65x180x800 mm with an initial humidity of 14-15% are placed in an airtight chamber, a vacuum of up to 0.03 MPa is created in the chamber, gaseous ammonia is fed into the chamber under pressure and the wood is heated to a temperature of 80 - 85 ^o C, chemical treatment of wood with a gas-ammonia mixture at a pressure of 0.14 MPa, reduce the pressure in the chamber to 0.01 MPa, vacuum the chamber to a pressure of 0.03 MPa, again increase the pressure to atmospheric, determine the wood moisture, dry the wood to a moisture content of 5 - 6% produce thermo working wood by heating it to 113 - 117 ^o C and maintain it at this temperature for 1 - 5 hours, cool the wood to 40 - 50 ^o C and unload it from the chamber.

Пример 2. Приемы способа аналогичны приемам, описанным в примере 1, но заготовки представляют собой доски сосны по ГОСТ 7897-83, а нагрев древесины осуществляют с помощью электрообогревателей (ТЭНов). Example 2. The methods are similar to the methods described in example 1, but the blanks are pine boards according to GOST 7897-83, and the wood is heated using electric heaters (heating elements).

Пример 3. Приемы способа аналогичны приемам, описанным в примере 1, но заготовки представляют собой листы шпона из березы, а их разогрев осуществляют посредством пара. Example 3. The methods are similar to the methods described in example 1, but the blanks are veneer sheets of birch, and they are heated by steam.

Пример 4. Приемы способа аналогичны приемам, описанным в примере 1, но заготовки тщательно рассортировываются по группам влажности исходной древесины в пределах 7 - 9% и термообработку проводят при 110 - 112^oC или 118 - 120^oC.Example 4. The methods are similar to the methods described in example 1, but the workpieces are carefully sorted by moisture groups of the original wood within 7 - 9% and heat treatment is carried out at 110 - 112 ^o C or 118 - 120 ^o C.

Для достижения наилучшего качества получаемой модифицированной древесины при минимальном производственном цикле ее обработки способ осуществляют при режимах, регламентированных формулой изобретения. Однако в ряде случаев при снижении требований к качеству получаемой древесины и величине производственного цикла можно осуществлять способ и при иных режимах. To achieve the best quality of the obtained modified wood with a minimum production cycle of its processing, the method is carried out under the conditions regulated by the claims. However, in some cases, while reducing requirements for the quality of the resulting wood and the size of the production cycle, it is possible to carry out the method under other conditions.

Claims (3)

1. Способ изменения физико-механических свойств древесины, включающий помещение древесины в герметичную камеру, создание в камере вакуума, подачу в камеру газообразного аммиака, термообработку древесины при 110 - 120^oС, отличающийся тем, что перед помещением в камеру влажность древесины доводят до 7 - 15%, подачу в камеру аммиака осуществляют под давлением не выше 0,17 МПа, после чего древесину нагревают до 80 - 85^oС, доводят давление в камере до атмосферного с последующим вакуумированием до 0,03 МПа, снова доводят давление в камере до атмосферного, осуществляют сушку древесины до влажности 5 - 6% и производят термообработку древесины в течение 1 - 5 ч.1. A method of changing the physicomechanical properties of wood, including placing wood in an airtight chamber, creating a vacuum in the chamber, feeding gaseous ammonia into the chamber, heat treating the wood at 110 - 120 ^° C, characterized in that the wood is brought to a wood moisture content of 7 before being placed in the chamber - 15%, the ammonia is fed into the chamber under a pressure of not higher than 0.17 MPa, after which the wood is heated to 80 - 85 ^o C, the pressure in the chamber is brought to atmospheric pressure, followed by evacuation to 0.03 MPa, and the pressure in the chamber is brought back to atmospheric they dry the wood to a moisture content of 5-6% and heat treat the wood for 1-5 hours. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку древесины осуществляют путем циклического изменения температуры и давления в камере одновременным повышением температуры до 85^oС и давления до 0,17 МПа и последующим снижением температуры до 60^oС и давления до 0,03 МПа.2. The method according to claim 1, characterized in that the drying of wood is carried out by cyclically changing the temperature and pressure in the chamber by simultaneously raising the temperature to 85 ^o C and pressure to 0.17 MPa and then lowering the temperature to 60 ^o C and pressure to 0, 03 MPa. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят в пресс-форме, в которой одновременно осуществляют формообразование и сушку древесины. 3. The method according to claim 1, characterized in that the heat treatment is carried out in a mold in which the shaping and drying of wood is simultaneously carried out.