Разработка новой технологии получения термодревесины Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 674.04

Р. Р. Сафин, Е. А. Белякова, Е. Ю. Разумов РАЗРАБОТКА НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: энергосберегающие технологии, низкосортная древесина,

термомодифицирование.

В статье описана энерго- и ресурсосберегающая технология термомодифицирования древесины, представлены технологические режимы получения термодерева и химический анализ состава древесины при разных температурных режимах обработки

Keywords: power saving up technologies, low-grade wood, thermomodifying.

In article it is described power- and resource-saving technology of thermomodifying of wood, technological modes of reception of a thermotree and the chemical analysis of structure of wood are presented at different temperature modes ofprocessing

Современные деревообрабатывающие предприятия, будучи энергоемкими и материалоемкими, нацелены на повышение коэффициента использования древесины местных и импортных пород и энергетической эффективности производственного процесса, что требует разработки энергосберегающих технологий переработки древесины, позволяющих пересмотреть вопросы использования древесины, в том числе и низкосортной. Такой инновационной энергосберегающей технологией на сегодняшний день может стать термомодифицирование, в результате которого древесина не только сохраняет ценные качества традиционного материала, но и приобретает новые свойства, расширяющие возможности ее применения.

Одной из первых технологий термической обработки древесины в промышленных масштабах можно обозначить обработку древесины в паровоздушной среде при температуре 200-240 °С в течение 24 ч, освоенную в Финляндии в середине 90-х годов ХХ века и применяемую на сегодняшний день в России [1]. Также известна французская технология Retification (технологией паростабилизации), при которой

термомодифицирование ведется при температуре 220-250 °С в среде перегретого водяного пара, длительность обработки составляет 12 ч. В основе немецкой технологии лежит сушка древесины в жидких органических веществах, где в качестве защитной среды используются различные растительные масла, термообработка ведется при четырех температурных режимах, в течение 18-20 ч.

При этом важным негативным фактором современных технологий термообработки древесины, сдерживающим их распространение в России, является применение перегретого водяного пара или жидкой среды для подвода тепловой энергии и защиты материала от кислорода, что приводит к высоким энергозатратам и быстрому износу дорогостоящего оборудования вследствие воздействия высокотемпературной агрессивной

среды.

Для решения данной задачи нами предложено использовать вакуумно-кондуктивные сушильные камеры, возможность применения которых для трмомодифицирования древесины до сих пор не была исследована. При этом использование вакуума позволит избежать воспламенения древесины и существенно снизить энергозатраты вследствие предотвращения тепловых потерь в окружающую среду, а применение контактного метода подвода теплоты позволит значительно интенсифицировать процесс [2].

Для проведения вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования древесных пиломатериалов разработана пресс-вакуумная установка (рис. 1), работающая следующим образом: штабель в камере сушки формируется по принципу чередования нагревательных плит и высушиваемых образцов древесины, заданных форм и размеров, затем производится герметизация вакуумной камеры и начинается вакуумно-кондуктивная сушка с периодическим подводом тепла при влажности древесины более 8-10 % или непосредственно термомодифицирование древесины при начальной влажности древесины менее 8 %.

При вакуумно-кондуктивной сушке с периодическим подводом тепла процесс протекает в две стадии - прогрева пиломатериала и вакуумирования. Прогрев материала происходит от перфорированных металлических нагревательных плит (см. рис. 1, б). После достижения в центре материала определенной температуры, регистрируемой с помощью установленных в древесине трех термопар, нагревательные плиты отключаются, и осуществляется стадия вакуумирования. Выдержка под вакуумом производится до снижения температуры в центре пиломатериала до заданного значения. После окончания стадии вакуумирования в камеру нагнетается атмосферный воздух и начинается стадия прогрева пиломатериала. Создание воздушной среды в камере в процессе прогрева древесины осуществляется с целью снижения испарения влаги с поверхности материала и, как следствие, возможности повышения температуры древесины до более высоких значений. Таким образом осуществляется чередование стадий прогрева высушиваемой древесины и вакуумирования до достижения влажности древесины 8-10 %. После чего начинается процесс вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины. Для этого температуру нагревательных плит повышают до 180-240 °С в зависимости от требуемой степени обработки по следующему логарифмическому закону:

!п(АТ/Ат) = 1,58 - 2,0041п(в/2) + 35096,5/р2,

где в - толщина образца, мм; р - базисная плотность древесины, кг/м ; ДТ/Дт - изменение температуры в единицу времени, К/сек.

После достижения средней температуры обрабатываемой древесины заданного значения происходит выдержка материала в вакууме при работающих нагревательных плитах - осуществляется непосредственно термическое модифицирование древесины, продолжительность которого определяется установленным качеством конечного продукта. После окончания процесса термомодифицирования выключаются нагревательные элементы и водокольцевой вакуумный насос, и осуществляется подача водяного пара из парогенератора в камеру - начинается процесс охлаждения и конечная термовлажностная обработка материала. Завершается процесс разгерметизацией камеры и извлечением материала с последующим его кондиционированием в условиях рабочего помещения.

Для неавтоматизированного управления процессами вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов были разработаны технологические режимы в зависимости от толщины и влажности материала, представленные в таблице 1.

б

Рис. 1 - Установка вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования пиломатериалов: а - внешний вид, б - расположение нагревательного кабеля и термопары

В натуральной древесине, подвергнутой тепловой обработке без доступа кислорода воздуха протекают различные химические изменения, для их изучения были проведены исследования полученных образцов термодревесины на ИК-Фурье-спектрометре Луа1аг-360 фирмы ТЬегто№со1е1 (США) в диапазоне частот от 400 до 4000 см-1 с программным обеспечением ОМШС. ИК-спектральный анализ показал, что воздействие температур в диапазоне до 160 °С, продолжительностью до 8 ч практически не вызывает химических превращений в древесине: ИК-спектры натуральной древесины, высушенной по

нормальным режимам, и термодревесины, подвергнутой тепловой обработке при 160 °С, идентичны.

Таблица 1 - Режимы вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с

периодическим подводом тепловой энергии

Влажность пиломатериалов, % Параметры процесса (1, С°; Р, кПа) при толщине пиломатериала

дуб до 32 мм береза 40 - 60 мм дуб 32 - 50 мм береза 60 - 75 мм

прогрев вакуум прогрев вакуум

Р атм їср Р ост т, ч Р атм їср Р ост т, ч

>60 100 92 10 2,5 100 91 10 4,8

<60 100 89 10 2,9 100 88 10 5,5

<40 100 85 10 3,4 100 84 10 6,4

<25 100 80 65-20 3,9 100 79 80-30 7,4

<20 100 80 65-20 4,5 100 75 75-20 8,5

<15 100 80 65-20 5,2 100 75 75-20 9,6

Заметные изменения в полосе инфракрасного поглощения начинают происходить при воздействии на древесину сосны температуры 200 °С более одного часа. Представленные ИК-спектры образцов, подвергнутых тепловому воздействию в 200 °С на протяжении 1, 2, 3 и 4 часов, различаются в области 2940-2835 см-1 и 1730-1590 см-1. Сопоставительный анализ ИК-спектров образцов сосны, полученных при различных температурах обработки выявил, что полоса поглощения в области 2800 - 3000 см-1, соответствующая валентным колебаниям СН-групп, видоизменяется при повышении температуры более 200 °С (рис. 2, а). Это объясняется разложением гемицеллюлоз, температура деструкции которых варьируется в интервале от 200 до 260 °С в зависимости от условий процесса [3,4].

Анализ ИК-спектров образцов, подвергнутых тепловой обработке при температуре 220 °С показал, что продолжительность обработки оказывает влияние на полосу поглощения в области 1730-1590 см-1, что соответствует валентным колебаниям диссоциированных и недиссоциированных карбоксильных групп (см. рис. 2, б).

Данное явление может носить несколько объяснений, главные из которых -образование растворимых сахаров и изменение концентрации гидроксильной группы, входящей в состав карбоксильных групп, что свидетельствуют о разложении гемицеллюлозы.

Таким образом, изменения химического состава древесины в результате термомодифицирования положительно влияют на показатели равновесной влажности, твердости древесины при незначительном уменьшении прочности, существенно снижается объем материала, чувствительного к грибку, что приводит к повышению показателей биостойкости. С разложением гемицеллюлозы также снижается концентрация водопоглощающих гидроксильных групп, что приводит к улучшению показателей формоустойчивости обработанной древесины.

сз

й

в 4

Wavenumbers (ст-1) а

Wavenumbers (ст-1) б

-1

Рис. 2 - Видоизменение полосы поглощения: а - в области 2800-3000 см-' при

воздействии повышенных температур: 1 - 200 °С, 3 ч; 2 - 200 °С, 4 ч; 3 - 220 °С, 2 ч; 4

-1

- 240 °С, 1 ч; 5 - 260 °С, 1 ч; б - в области 1730-590 см- при воздействии повышенных температур: 1 - 220 °С, 1 ч; 2 - 220 °С, 2 ч; 3 - 220 °С

Исследования в области технологий и оборудования термообработки, позволяющей значительно улучшить качественные характеристики древесины без применения химических средств, в настоящее время ведутся многими ведущими в деревообработке странами. Применение технологии вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования древесины, на сегодняшний день является принципиально новым направлением, представляющим собой наиболее перспективное решение в области термообработки древесины, за счет существенного сокращения продолжительности процесса по сравнению с традиционной конвективной технологией и повышения качественных показателей

получаемого термодерева за счет равномерного и симметричного распределения влажности по толщине материала.

Термомодифицирование древесины позволяет повысить ее биологическую стойкость, уменьшить равновесную влажность и коэффициент разбухания древесины при увлажнении, существенно понизить возможность проникновения воды в материал, улучшить декоративные свойства. Технико-экономический анализ в свою очередь показал, что вакуумно-кондуктивная технология термомодифицирования позволяет сократить энергозатраты на проведение процесса более чем на 30 % за счет отсутствия необходимости использования перегретого пара и практически полного отсутствия потерь тепловой энергии в окружающую среду.

Литература

1. Шубин, Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г.С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. -336 с.

2. Сафин, Р.Р. Исследование совмещенной сушки-пропитки массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов, Р.М. Иманаев // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2006. - №6. - С.78-85.

3. Азаров, В.И. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов / В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская. - СПб.: СПбЛТА, 1999. - 628 с.

4. Кислицин, А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы / А.Н. Кислицин. - М.: Лесная промышленность, 1990. - 311 с.

© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ; Е. А. Белякова - асс. той же кафедры; Е. Ю. Разумов - канд. техн. наук, доц. каф. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ, cfaby@mail.ru.