Исследования импульсной объёмной пропитки древесины берёзы Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 674.048

СЕКИСОВ ФЕДОР ГРИГОРЬЕВИЧ, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., lab3@hvd.tpu.ru

СМЕРДОВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ, канд. техн. наук, lab3@hvd.tpu.ru

КАЗАРИН АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ, аспирант,

ЛИ ХУНДА, аспирант,

ВЕСНИН ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ, аспирант,

ГОРЕШНЕВ МАКСИМ АЛЕКСЕЕВИЧ магистрант,

maksimka_2@mail.ru

Томский политехнический университет,

634004 г. Томск, пр. Ленина, 30

ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ОБЪЁМНОЙ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЁЗЫ

Описаны оптимальные технологические режимы предложенного способа объёмной пропитки древесины водорастворимыми красителями и антипиренами последовательностью импульсов давления раствора. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния температуры пропитывающего состава, давления в камере, влажности исходной древесины, режимов на качество пропитки.

Ключевые слова: древесина, импульсная объёмная пропитка, вакуум, давление, температура, влажность, огнезащита, качество пропитки.

SEKISOV, FEDOR GRIGORJEVICH, Cand. of tech. sc., lab3@hvd.tpu.ru

SMERDOV, OLEG VLADIMIROVICH, Cand. of tech. sc., lab3@hvd.tpu.ru

KAZARIN, ALEKSEY NIKOLAYEVICH, P.G.,

LI, KHUNDA, P.G.

VESNIN, VLADIMIR SERGEYEVICH, P.G.,

GORESHNEV, MAKSIM ALEKSEYEVICH,

maksimka_2@mail.ru

Tomsk Polytechnic University,

30 Lenin Avenue, Tomsk, 6340004, Russia

RESEARCHES OF IMPULSE VOLUME IMPREGNATION OF WOOD

Optimum technological modes of the offered way of volume impregnation of wood by water-soluble dyes and fire-retardant are described in the article. The impregnation is carried out by pulse sequence of solution pressure. The results of experimental researches of influence of temperature of impregnating compound, pressure in the chamber, moisture content of initial wood and modes on the quality of impregnation are given.

Keywords: wood, impulse volume impregnation, vacuum, pressure temperature, moisture content, fire-barrier, the quality of impregnation.

© Ф.Г. Секисов, О.В. Смердов, А.Н. Казарин, Х. Ли, В.С. Веснин, М.А. Горешнев, 2010

Конкурентоспособность древесины с другими строительными материалами определяется не только способностью к воспроизводству, доступностью и относительно невысокой стоимостью, но и высокими физико-механическими и поделочными свойствами.

Ограничениями использования древесины являются подверженность гниению (малый срок службы), а также горючесть [1]. Объёмы заготовок высококачественной древесины хвойных и лиственных пород подошли к максимальным возможностям использования продуктивных лесов. Поэтому для удовлетворения постоянно растущих потребностей народного хозяйства необходимо вовлечь в сферу применения древесину так называемых малоценных быстрорастущих лиственных пород (берёза, осина, тополь и т. д.) [2, 3].

Одним из направлений в решении задачи рационального использования древесины малоценных пород является повышение био- и огнестойкости при объёмной пропитке фунгицидами и антипиренами; повышение механических свойств пропиткой мономерами с дальнейшей их полимеризацией; улучшение декоративных свойств глубоким объемным крашением. Пропиткой также изменяются пластические, фрикционные, электрические и другие свойства древесины [4].

Все способы пропитки разделяются на три группы: капиллярная, диффузионная и пропитка под давлением.

Преимущественное применение имеет пропитка под давлением (автоклавный способ), обеспечивающая глубокое проникновение пропитывающего состава в древесину при малой продолжительности процесса, однако требующая дорогостоящего оборудования. Недостатком способов подачи давления является сложность определения достаточной длительности пропитки, обеспечивающей высокое качество. Это может вызвать необоснованные дополнительные затраты.

Целью работы является исследование режимных параметров объёмной пропитки древесины быстрорастущих пород (берёза, осина, тополь и т. д.) водорастворимыми красителями и антипиренами с помощью последовательных импульсов давления.

Исследования влияния объёмной пропитки древесины на качество конечного продукта проводились на установке, функциональная схема которой приведена на рис. 1.

Вакуумметр

Рис. 1. Функциональная схема установки объёмной пропитки древесины

В большинстве исследований использовались образцы древесины берёзы размером 150^30x30 мм3 с влажностью около 15 %. В качестве пропитывающих составов использовались разные анилиновые водорастворимые красители для тканей, лучшими из которых, как показали исследования распределения оптической плотности срезов, оказались красители ООО «Пигмент», г. Тамбов.

После загрузки образцов пропитываемой древесины в пропиточные камеры производилась откачка воздуха из камер вакуумным насосом до давления 104 Па. Пропитываемый материал в камере выдерживался в течение 1 часа при этом давлении. Затем через клапаны камера заполнялась пропитывающим составом из емкостей под действием разряжения. После заполнения в камерах создавалось повышенное давление Р насосом высокого давления.! При достижении определённого давления насос отключался, и давление начинало понижаться за счет внедрения пропитывающего раствора в объём древесины. Вначале давление снижается быстро, затем скорость снижения уменьшается, и давление практически не меняется, т. е. пропитка замедляется (рис. 2). Поскольку выдержка древесины при медленном внедрении пропитывающего состава в неё нецелесообразна, использовалась последовательность импульсов давления. Как показали многочисленные эксперименты по пропитке древесины берёзы с исходной влажностью до 10-20 %, оптимальной величиной скорости снижения давления для последующих импульсов является АР/А?1 < 1200-1400 Па/с, т. е. при достижении скорости снижения давления ниже или равной АР/А? < 1400 Па/с включался насос высокого давления и вновь поднимал давление. Когда скорость снижения давления становилась равной 1400 Па/с в диапазоне (0,9- 1)Ртах, процесс пропитки заканчивался [5].

Временная зависимость давления в камере представлена на рис. 2.

Рис. 2. Временная зависимость давления в камере:

1 - импульс давления; 2 - результирующая зависимость насыщения древесины

Число импульсов давления, достаточное для качественной объёмной пропитки, зависит от вида древесины, её влажности, размера и при АР/АЬ = 1400 Па/с

обычно составляло 6-15 шт. За критерий удовлетворительности качества пропитки было принято отклонение распределения оптической плотности по толщине среза не более 3-5 % при измерении спектроколориметром ТКА-ВД.

Основным техническим результатом предложенного способа пропитки является снижение затрат на пропитку, точное определение времени окончания пропитки независимо от геометрических размеров материала. Это позволяет исключить необоснованную выдержку материала в пропитывающем составе, что приводит к повышению качества пропитки при снижении затрат.

Исследования влияния давления раствора в камере на время объёмной пропитки древесины проводились по вышеописанной методике. На рис. 3 представлена зависимость времени пропитки от устанавливаемого максимального давления в камере. Повышение максимального давления сокращает время пропитки. Однако при повышении давления выше 1,2-106 Па темп сокращения времени пропитки снижается. Поэтому повышение давления в камере выше 1,2-106 Па оказалось нецелесообразным.

*, ч 14 12 10 8 6 4 2 0

2 4 6 8 10 12 Р-105, Па

Рис. 3. Зависимость времени пропитки от максимального давления в камере

На рис. 4 представлена зависимость влияния температуры пропитывающего раствора на поглощение древесиной берёзы по удельному весу заготовки после пропитки. Время пропитки составляло 4 часа.

1120 1100

т

-5 1080 * 1060 й 1040 ^ 1020

£ 1000 980

960 20 30 40 50 60 70 80 90

Температура, °С

Рис. 4. Зависимость плотности объёмно пропитанной древесины от температуры пропитывающего состава

По результатам исследований при увеличении температуры пропитывающего состава в 4 раза качество объёмной пропитки древесины лиственных пород улучшается всего лишь на 10-15 %. Поскольку увеличение температуры пропитывающего состава связано с большими энергетическими затратами, то повышение температуры пропитывающего состава от комнатной можно считать нецелесообразным.

Исследования качества пропитки древесины с различной исходной влажностью показали, что 2 % отклонения распределения оптической плотности по толщине среза (при толщинах древесины до 100 мм) можно достичь, если влажность не превышает 20 % (рис. 5, 6).

Отн. ед.

158

156

154

152

150

148

146

144

142

140

10

20

30

40

50

Толщина, мм

Рис. 5. Распределение оптической плотности по толщине доски при концентрации красителя 6 г/л

0

10 20 30 40 50 60 70 Ж, %

Рис. 6. Зависимость качества объёмной пропитки от входной влажности древесины

Для определения влияния концентрации раствора антипирена марки «ОБЕРЕГ-ОБ» на степень огнезащиты по объёму заготовки применяли состав

производства ООО «Оберег». Температура раствора составляла 20 °С. В опытах использовались образцы из древесины берёзы размером 150^30x30 мм3. Исходная влажность образцов составляла 15 %. Контроль качества объёмной пропитки осуществлялся по ГОСТ 16363-98.

При концентрации пропитывающего состава выше 20-30 кг/м3 масса заготовки при огневых испытаниях уменьшается незначительно (рис. 7), пожарная безопасность соответствует первой категории. Поэтому для производства можно рекомендовать применять концентрацию огнезащитного раствора не выше 30 кг/м3. Распределение раствора огнезащиты по толщине заготовки представлено на рис. 8.

10

20

30 40 50 60 С, кг/м3

Рис. 7. Зависимость потери веса образца при огневых испытаниях от концентрации огнезащитного раствора

50

40 ;

о сЗ £ 30 :

Л о н о С 20 ■

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Толщина, мм

объемно пропитанная древесина огнебиозащитным составом поверхностно обработанная древесина огнезащитным составом древесина, не обработанная огнезащитным составом

Рис. 8. Распределение потери массы образцов при огневых испытаниях по толщине заготовки

Видно, что объёмная пропитка древесины обеспечивает огнезащиту по всему объёму, в отличие от поверхностной обработки.

Выводы

1. Установлены закономерности влияния технологических параметров: время заготовки, исходная влажность, температура раствора, кинетика и величина давления раствора на качество и скорость объёмной пропитки древесины берёзы.

2. Разработаны технологические режимы импульсной объемной пропитки древесины березы:

- исходная влажность древесины < 20 %;

- температура пропитывающего раствора 20 °С;

- длительность выдержки исходной древесины при давлении 104 Па 1 час;

- максимальное давление раствора в камере 1,2*106 Па;

- оптимальная величина скорости снижения импульса давления для подачи последующих импульсов АР/А < 1200-1400 Па/с;

- длительность пропитки 4-6 часов.

3. Показано, что объёмная пропитка древесины обеспечивает пожарную безопасность не ниже первой категории при концентрации огнезащитного раствора 20 кг/м3.

Библиографический список

1. Сивенков, А.Б. Огнезащита древесины. Проблемы и перспективы / А.Б. Сивенков, Н.Н. Крашенинникова, В.С. Кулаков // Противопожарные и аварийно-спасательные средства. - 2004. - № 2.

2. Коротаев, Э.И. Использование мягкой лиственной древесины / Э.И. Коротаев, М.И. Клименко. - М. : Лесная промышленность, 1983. - 128 с.

3. Филонов, А.А. Использование маломерной древесины в производстве паркетных щитов / А.А. Филонов. - Воронеж : ВГЛТА, 1998. - 120 с.

4. Крашение древесины / Е.Ю. Беляев, В.Н. Ермолин, А.В. Мелешко, В.Л. Соколов // Химия растительного сырья. - 1999 - №. 2. - С. 5-18.

5. Способ пропитки древесины. Пат. 2243886. Рос. Федерация // Ф.Г. Секисов, О.В. Смердов, Е.Н. Банных.