Способ обработки древесины

 

Изобретение относится к деревообработке и предназначено для качественной обработки сырого кругляка или бруса различных древесных пород значительной толщины. Технический результат - предотвращение растрескивания и коробления древесины за счет снятия возникающих при обработке внутренних напряжений, повышение влагостойкости и механической прочности. Для этого древесину пропитывают насыщенным раствором мочевины при комнатной температуре до поглощения не менее 20% мочевины к весу абсолютно сухой древесины, затем выдерживают на воздухе в условиях закрытого помещения не менее 24-72 ч и только потом производят двухступенчатую сушку до остаточной влажности древесины не более 20%. Максимальная температура заключительной термической обработки не превышает температуру размягчения лигнина каждой древесной породы. Увеличением продолжительности термообработки до 7 ч получают нужный цвет и выраженность текстуры древесины, а ступенчатое ее проведение позволяет получить необходимую плотность заготовки. Способ отличает малая энергоемкость и экологическая чистота, для его реализации не требуется специальное дорогостоящее оборудование. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к деревообработке, а именно к обработке штучных исходных сырьевых заготовок из круглого лесоматериала и бруса различных древесных пород.

Преимущественной областью дальнейшего использования заготовок являются производства с высокими качественными и декоративными требованиями к изделиям, в частности на торцовую твердость и минимальную допустимость коробления, а именно изготовление деревянных частей инструментов и приборов, оформление и внутренняя отделка помещений.

Известно, что напряжения, возникающие при обработке сырой древесины, вызванные изменением ее влажности и температуры, не должны превышать предел прочности, в противном случае в древесине возникают трещины. Кроме того, при дальнейшей механической обработке или эксплуатационном высыхании (увлажнении) древесины, сохранившей значительные остаточные напряжения, вследствие нарушения равновесия внутренних напряжении происходит изменение заданных размеров и формы изделий, что приводит к перерасходу сырья и непроизводительным затратам труда, а также потере декоративных и эксплуатационных качеств изделий. Поэтому возникает необходимость снятия или хотя бы существенного снижения внутренних напряжений в древесине.

После камерной сушки но заданному режиму в зависимости от породы, сечения, начальной влажности в древесине имеются сравнительно небольшие влажностные напряжения и весьма значительные остаточные. До последнего времени у производственников было широко распространено мнение, что путем длительной выдержки высушенного материала можно выравнять влажность и снять внутренние напряжения. Если в отношении выравнивания влажности выдержка материала оказывается достаточным (хотя и не всегда приемлемым из-за большой длительности) мероприятием, то для устранения остаточных напряжений она практически бесполезна.

Известно, что устранение остаточных напряжений достигается повышением влажности среды при конечной влаготеплообработке (например, впуском в рабочее пространство камеры насыщенного пара из увлажнительной системы или, еще эффективнее, предварительным охлаждением приблизительно до +30^oC перед впуском пара). Но применение этих приемов при значительной толщине материала приводит к возрастанию (во второй степени) продолжительности конечной влаготеплообработки, а значит энергоемкости процесса сушки. А при камерной сушке лесоматериалов, начиная с 50-75 мм, следует проводить промежуточную влаготеплообработку или в отдельных случаях - многократную (см. Уголев Б.Н. Деформативность древесины и напряжения при сушке. - М. : Лесная промышленность, 1971, 150-158 с.).

Это трудоемкие и дорогие способы, особенно с увеличением толщины обрабатываемого материала.

Известен способ сушки заготовок из древесины лиственных пород, в котором заготовки перед загрузкой их в сушильную камеру предварительно пропитывают насыщенным раствором мочевины в течение 30-40 мин при температуре +100^oC. Лучшая в результате пропитки пластичность древесины приводит к ее самоуплотнению при сушке, повышающему качество высушенных заготовок (см. авт.св. СССР N 278090, кл. B 27 K 5/00, 1969 г.). Однако, скоротечность пропитки не обеспечивает равномерности, особенно цилиндрического сортимента значительного диаметра, а удлинение срока пропитки при температуре +100^oC может привести к значительным энергетическим затратам и высокому расходу мочевины.

Известен способ получения изделий из модифицированной древесины мягких лиственных пород, в котором заготовку перед пропиткой в растворе мочевины раскалывают на два равных полуцилиндра, совмещают их в плоскости разъема и сушат под давлением в матрице прямоугольной формы. Таким образом снижается вероятность образования сердцевинной трещины, которая почти всегда возникает при сушке древесины в виде сплошных цилиндров (см. авт.св.СССР N 1248802, кл. B 27 K 5/06, 1985). Применение этого способа приводит к преобразованию цилиндрической формы заготовок в изделия в форме брусков или досок прямоугольного сечения, причем рекомендуемая оптимальная высота матрицы, равная радиусу заготовки, исключает применение универсального оборудования.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ обработки древесины, включающий ее пропитку 30-50%-ным водным раствором мочевины при комнатной температуре с последующими сушкой и термической обработкой при температуре +160-170^oC, при этом древесину перед пропиткой необходимо прогреть в воде при +100^oC (см. авт.св. СССР N 709358, кл. B 27 K 3/36, 1978), который принят за прототип. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится следующее. Круглые полые образцы бамбука, обработанные этим способом, не имеют трещин, но для этого необходим их предварительный прогрев в горячей воде при +100^oC до полного удаления воздуха из проводящих пучков древесины и быстрый перенос в холодную пропиточную ванну, а перед сушкой - кратковременное промывание водой. Мало того, что необходимость этих осциллирующих температурных режимов увеличивает энергоемкость способа, для цилиндрического сортимента значительного диаметра (свыше 250 мм), а не бамбука, он будет связан со значительными трудозатратами.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующих задач: 1) получить возможность подвергать качественной обработке сырой кругляк или брус различных древесных пород вплоть до диаметра 250- 450 мм или толщины - свыше 100 мм, исключив таким образом необходимость продольной распиловки бревен до обработки или, по крайней мере, уменьшив ее трудоемкость; 2) одновременно получить более выраженную текстуру и сквозное равномерное окрашивание древесины, свето- и термостойкое, гарантирующее долговечность декоративных свойств изделий из древесины в условиях эксплуатации.

Разрешение поставленных задач предлагаемым способом обработки древесины происходит благодаря достигнутому при его реализации техническому результату: предотвращение растрескивания и коробления древесины за счет снятия возникающих при обработке внутренних напряжений, повышение влагостойкости и механической прочности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается благодаря тому, что в способе обработки древесины, преимущественно цилиндрического сортимента, включающем пропитку древесины насыщенным водным раствором мочевины при комнатной температуре и сушку с последующей термической обработкой, для пропитки берут сырую древесину, а пропитку ведут до поглощения не менее 20% мочевины к весу абсолютно сухой древесины, которую перед сушкой выдерживают в условиях закрытого помещения в течение 24 - 72 ч, затем проводят сушку при начальной температуре не более +50^oC с последующим повышением температуры до +70-100^oC в середине общей продолжительности сушки до остаточной влажности древесины не более 20%, а термическую обработку осуществляют при температуре размягчения лигнина каждой древесной породы в течение 4-7 ч до достижения остаточной влажности древесины не более 4%.

Кроме того, особые условия использования способа заключаются в том, что для пропитки длинномерных заготовок из них удаляется сердцевина, а с увеличением толщины и твердости обрабатываемого материала увеличивают продолжительность выдержки, вплоть до 72 ч. Для получения необходимого цвета и текстуры древесины, ее термообработку продлевают до 6-7 ч.

Пропитку древесины производят насыщенным при комнатной температуре водным раствором мочевины и начальной средней влажности древесины больше предела насыщения, причем температура и давление в течение всей пропитки остаются постоянными. Благодаря выбранному сочетанию начального состояния материала и условий проведения его пропитки, получаем скорости диффузионного переноса в течение всей продолжительности пропитки пропорциональные только градиенту концентрации и направленные под влиянием разности концентраций в сторону меньшей концентрации. В связи с этим, проникающая способность пропиточного состава повышается, создавая более глубокое и равномерное распределение молекул мочевины одновременно с молекулами воды по всей площади поперечного сечения цилиндрического сортимента или бруса.

При последующей выдержке пропитанной древесины в условиях закрытого склада влажность поверхностной зоны цилиндрической заготовки по истечении нескольких часов начнет снижаться до равновесной, причем, чем толще сортимент, тем раньше наступит это снижение. Поэтому начнется мало интенсивный диффузионный перенос влаги и несвязанной мочевины от центра к цилиндрической поверхности заготовки. Благодаря его сочетанию с противоположным (от поверхности - к центру) предыдущим процессом пропитки, добиваемся большего выравнивания градиента влажности и концентрации мочевины по сечению заготовки, большей структурной однородности, уменьшающей внутреннюю концентрацию напряжений, а следовательно - появление трещин во время дальнейшей сушки и термообработки. Время выдержки - 24 ч является минимальным для цилиндрических сортиментов сравнительно небольшой толщины (не более 200 мм), менее твердых (береза, осина, липа) древесных пород, так как, чем выше плотность, тем больше значение модуля упругости и больше внутренние напряжения. Максимальное время выдержки - 72 ч необходимо для цилиндрических сортиментов значительной толщины (200 - 400 мм), твердых (дуб, бук, клен) древесных пород, к тому же включающих небольшие участки с незначительными пороками древесины (например, крень), обладающие иным, по сравнению с основным массивом, коэффициентом усушки.

Учитывая цилиндрический характер анизотропии усушки крупных сортиментов типа бруса и круглых лесоматериалов, усугубляющий развитие внутренних напряжений при сушке, после выдержки при температуре +204^oC выбираем для первой ступени последующей аэродинамической сушки невысокую температуру +50^oC. Благодаря этому разница во влажности поверхностных и внутренних зон в течение всех 5-7 дней первой ступени сушки материала невелика, а значит опасность возникновения поверхностных трещин под действием растягивающих полных напряжений уменьшается. "Ужесточение" процесса на второй ступени - повышение температуры до +70-100^oC и поддержание ее в течение еще 5-7 дней сушки, производим после снижения влажности внутренней зоны цилиндрического сортимента за предел гигроскопичности с целью исключения возникновения в ней растягивающих напряжений и образования внутренних трещин (свищей), в результате остаточная влажность древесины не превышает 20%. Кроме того, при росте температуры и падении влажности, температура внутри заготовки растет сначала интенсивно, затем ее рост замедляется, поскольку испарению влаги препятствуют два гидрофильных агента: древесина и мочевина, увеличивая за счет этого равномерность испарения влаги по всей толщине заготовки. Но при этом в клеточных стенках древесины происходит реакция поликонденсации карбамида и лигнина, продукты которой, обладая способностью склеивать и гидрофобизировать древесину, при последующей термической обработке, повышающей температуру древесины вплоть до температуры размягчения лигнина каждой породы, позволяет исключить образование трещин в конце обработки. С повышением температуры до +170^oC, например, для березы, разложению подвергается только мочевина, происходит резкое увеличение плотности древесных клеток. Для предотвращения происходящего при этом увеличения объема (что может вызвать образование трещин) и ведут пропитку до поглощения не менее 20% мочевины, которая, пропитав клеточные стенки, мешает их разбуханию, то есть как бы является тем "цементирующим раствором", которым до нее являлся лигнин. Изменение структуры клеточной стенки, увеличивающее количество лигнина в единице объема, при продолжительности режима термообработки менее 6-7 ч не приводит к желаемому изменению цвета и выраженности текстуры древесины. Продолжительность термообработки менее 4 часов, может вызвать образование свищей.

Длинномерные заготовки просверливают, удаляя сердцевину, давая таким образом раствору мочевины при пропитке и связанной влаге - при сушке и термообработке одновременно действовать и изнутри цилиндрической заготовки, тем самым добиваемся большей равномерности процессов, снимающих внутренние напряжения в заготовке и уменьшающих вероятность растрескивания.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного способа. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного способа условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку не выявлено однозначное влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Для осуществления предлагаемого способа сырую древесину, преимущественно цилиндрический сортимент, загружают в пропиточную ванну с насыщенным при комнатной температуре раствором мочевины и при комнатной же температуре ведут пропитку известным методом диффузионно-капиллярной пропитки до поглощения не менее 20% мочевины к весу абсолютно сухой древесины. Пропитанную древесину выдерживают на воздухе в условиях закрытого склада (температура окружающего воздуха: + 204^oC, а степень насыщения его водой - в пределах 655%) в течение 24 - 72 ч. Затем производят двухступенчатую сушку, продолжительность каждой из которых 5 - 7 суток, температура начала сушки не более +50^oC, с повышением ее величины до + 70 - 100^oC в начале второй ступени и поддержанием таковой до получения древесины с остаточной влажностью не более 20%. После этого в течение 4 - 7 ч древесину подвергают термообработке при температуре размягчения лигнина, соответствующей каждой высушиваемой породе до абсолютно сухого состояния.

Пример 1.

Окоренные березовые заготовки начальной влажностью до 80-100%, нарезанные из бревна диаметром 270 мм, длиной 50 - 200 мм пропитывают раствором мочевины концентрацией 51,6% методом диффузионной пропитки до содержания мочевины не менее 20% от веса абсолютно сухой древесины в течение 6 дней. Затем заготовки выдерживают 48 ч на воздухе в нормальный условиях закрытого помещения. После этого заготовки помещают в сушильную камеру, где производят аэродинамическую сушку в два этапа. На первом этапе температура сушки не превышает +50^oC в течение 5-7 суток, на втором этапе температура повышается до +90-100^oC и поддерживается в этом диапазоне также в течение 5-7 суток. Затем проводят окончательную термообработку при максимальной температуре 170^oC в течение 7 ч. Плотность древесины возрастает на 20%, ярко выражена текстура, цвет - орехового дерева.

Пример 2.

Березовые заготовки, прошедшие пропитку и сушку по режимам примера 1, подвергают ступенчатой термообработке. На первом этапе заготовки, имеющие температуру +20^oC, нагревают до +85^oC в течение 2 ч, на втором - до температуры +150^oC в течение 1 ч и выдерживают в течение 4 ч. Плотность возросла на 30%, ярко выражена текстура древесины, цвет - от золотистого до светло- коричневого.

Пример 3.

Окоренные заготовки осины с исходной влажностью 80%, нарезанные из бревна диаметром 250 мм, длиной 50-100 мм и вырезанной сердцевиной диаметром 80 мм, подвергают диффузионной пропитке в растворе мочевины концентрацией 52% в течение 7 суток. После выдержки на воздухе в течение 48 ч, заготовки помещают в сушильную камеру для последующей сушки при температуре + 50^oC в течение 7 суток и 85^oC - в течение еще 7 суток. Затем проводят термообработку при температуре +140^oC в течение 7 ч. Плотность древесины возросла на 22%, текстура ярко выражена, цвет - ярко-желтый.

Пример 4.

Заготовки сосны в виде бруса сечением 120x60 мм и длиной 2,5 м подвергают пропитке в растворе мочевины концентрацией 51,6% в течение 6 суток. Затем выдерживают на воздухе в течение 24 ч, с последующей аэродинамической сушкой при температуре +50^oC в течение 5 суток и +70^oC в течение следующих 7 суток. Термообработку при + 100^oC проводят в течение 4 ч и +135^oC в течение последующих 3 ч. В результате получаем древесину, плотность которой возросла на 20%, с ярко выраженной текстурой, золотистого (с коричневыми прожилками) цвета.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий: цилиндрическая заготовка древесины или брус, воплощающие заявленный способ при его осуществлении, предназначены для использования в промышленности для изготовления деревянных частей приборов и инструмента, для оформления и внутренней отделки помещений; для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Способ обработки древесины преимущественно цилиндрического сортимента, включающий пропитку ее насыщенным водным раствором мочевины при комнатной температуре и сушку с последующей термической обработкой, отличающийся тем, что для пропитки берут сырьевую древесину, а пропитку ведут до поглощения не менее 20% мочевины к весу абсолютно сухой древесины, перед сушкой древесину выдерживают на воздухе в течение 24 - 72 ч, сушку проводят до остаточной влажности древесины не более 20%, а максимальная температура термической обработки равна температуре размягчения лигнина каждой древесной породы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют ступенчатую термическую обработку в течение 4 - 7 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что до пропитки длинномерных заготовок из них удаляют сердцевину.