CC BY
18
УДК 666.198
ВОЛОКИТИН ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, volokitin_oleg@mail. ru
ВОЛОКИТИН ГЕННАДИЙ ГЕОРГИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, vgg-tomsk@mail. ru
ЦВЕТКОВ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, nac@tsuab. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ*
Разработана экспериментальная установка для создания защитно-декоративного покрытия на поверхности деревянных образцов. Проведены экспериментальные исследования по нанесению защитного покрытия с помощью энергии низкотемпературной плазмы. Исследованы свойства поверхности древесины до и после обработки плазменной энергией.
Ключевые слова: электроплазменная установка, обработка поверхности древесины, защитно-декоративное покрытие.
VOLOKITIN, OLEG GENNADEVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., volokitin_oleg@mail. ru
VOLOKITIN, GENNADY GEORGIEVICH, Doctor of tech. sc., prof., vgg-tomsk@mail. ru
TSVETKOV, NIKOLAY ALEKSANDROVICH, Doctor of tech. sc., prof., nac@tsuab. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
THE TECHNOLOGY OF MAKING PROTECT-DECORATIVE COVERING ON WOOD SURFACES WITH HELP OF PLASMA ENERGY
Experimental device for making protect-decorative covering on wood surfaces was developed. Experimental researches on marking protect cover with the help of low temperature plasma were developed. Properties of wood surfaces before and after plasma influence were investigated.
Keywords: electro-plasma device, wood surface processing, protecting-decorative covering.
Древесина является одним из наиболее распространенных строительных материалов. Одним из основных показателей, снижающих конкурентоспособ-
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ № 12-08-90705.
© О.Г. Волокитин, Г.Г. Волокитин, Н.А. Цветков, 2012
ность древесины по сравнению с металлами и синтетическими материалами, -это относительно малый срок эксплуатации. Решающим фактором в пригодности изделий из древесины является влияние грибковой инфекции вследствие естественного содержания в ней влаги. Поэтому риск грибкового поражения, который особенно проявляется под действием погодных факторов, а также влажности постоянного или переменного характера, должен быть обязательно учтен. Однако традиционные методы защиты древесины, например нанесение лакокрасочного покрытия, обладают рядом недостатков. Естественная гигроскопичность древесины, которая проявляется в ее набухании и усыхании в среде с переменной влажностью, является причиной возникновения напряжений и в результате - поверхностных трещин, которые могут привести к разрушению защитного лакокрасочного покрытия, а следовательно, и к снижению гидрофобных свойств и прочности. Использование химической защиты в некоторых случаях может сопровождаться вымыванием защитных веществ, понижает эффективность защиты в целом и оказывает негативное влияние на окружающую среду. В связи с этим необходимым является поиск нетрадиционных способов обработки древесины для улучшения эксплуатационных свойств ее поверхности [1]. Решением вышеназванных проблем является использование в качестве источника термической обработки поверхности древесины энергии низкотемпературной плазмы. Применение среды низкотемпературной плазмы позволяет модифицировать поверхность древесины и получить тончайшую функциональную (гидрофобную) пленку, которая улучшает физические свойства материала и не пропускает жидкость. Кроме того, скорость обработки поверхности достигает 1-2 с, что снижает энергозатраты и делает процесс создания защитнодекоративного покрытия экономически выгодным.
В связи с этим целью данной работы явилось:
- разработка устройства, обеспечивающего создание защитно-декоративного покрытия на поверхности древесины с использованием энергии низкотемпературной плазмы;
- проведение экспериментальных исследований по нанесению защитного покрытия на поверхность различных пород древесины и исследование его свойств.
В качестве исходных образцов для термообработки были выбраны три породы древесины: пихта, сосна и осина. На рис. 1 представлена обобщенная схема установки для создания защитно-декоративного покрытия на древесине [2].
Конструктивно установка состоит из плазменного генератора 1, графитового анода 5 и источника питания постоянного тока. Плазмогенератор с вынесенным анодом расположен в средней части конвейера, при этом катодный узел размещен по оси конвейера и расположен в вертикальном положении формообразующим соплом вверх, в непосредственной близости от стола конвейера. В качестве выносного анода используется графитовый стержень диаметром 70 мм, установленный под углом 20° относительно горизонтали. Электропривод обеспечивает в процессе работы вращение и поступательное перемещение графитового стержня. Для генерации плазменного шнура графитовый анод сближается с плазмотроном на расстояние, достаточное для возбуждения основной дуги. На конвейере установлены полозья, эти элемен-
ты обеспечивают постоянство зазора между оппозитно расположенными брусками древесины в процессе обработки (5 = 15-20 мм).
Рис. 1. Комплекс оборудования для плазменной обработки поверхности древесины:
1 - катодный узел; 2 - плазменная дуга; 3 - источник питания; 4 - обрабатываемые образцы; 5 - графитовый анод; 6 - водоохлаждаемый токоподвод; 7 - электропривод подачи электрода
В результате проведенных экспериментов по плазменной обработке древесины (рис. 2) поверхность образцов окрасилась и приобрела темный, золотисто-коричневый цвет, при этом очень хорошо проявилась текстура породы и стали более заметными годичные кольца, что незаменимо при использовании образцов в декорировании. Кроме того, термическая обработка приводит к существенным изменениям в структуре древесины, по мере нагрева из ее состава испаряются смолы, воски, жиры, фенолы, элементы гемицеллюлозы и глюкозы. В результате древесина становится устойчивой к гниению, не подвержена воздействию плесени, поражению различными микроорганизмами и грибком, чего не позволяет достичь обычная сушка древесины [3].
Рис. 2. Образцы древесины:
а - до плазменной обработки; б - после плазменной обработки
Следующим этапом исследований явилось проведение экспериментов по определению водопроницаемости исследуемых образцов до и после плазменной обработки. Поглощение воды древесиной фиксировалось через каждые 2 часа. Полученные результаты представлены на рис. 3.
V, мл
А И
і 2 /
_ 5 3 4 / / / — "Г
И N N
Рис. 3. График зависимости расхода (поглощения) воды от времени выдержки
На рис. 3 обозначены: V - объем поглощенной древесиной воды; ^ -время выдержки колбы с водой на поверхности древесины. Зависимости 1, 3, 5 соответствуют осине, пихте, сосне до их обработки низкотемпературной плазмой. Зависимости, 2, 4, 6 соответственно для осины, пихты, сосны после обработки их низкотемпературной плазмой.
Анализ проведенных экспериментов позволяет сделать выводы о том, что технология плазменной обработки поверхностей древесины за счет малого времени воздействия на обрабатываемые изделия является значительно экономичней по сравнению с традиционными способами термического воздействия. Поверхность после обработки является более устойчивой к появлению грибков, плесени и других пороков древесины [4] за счет удаления подходящей для их формирования среды, кроме того, образцы древесины после термической обработки впитывают воду в несколько раз медленнее, чем исходные породы. Это говорит о том, что обработанную с помощью электроплазменной технологии древесину можно использовать в средах с повышенной влажностью. Плазменная обработка позволяет придать древесине уникальные влагоотталкивающие и эксплуатационные свойства, высокую формоустойчивость и стабильность геометрических размеров, при этом улучшается устойчивость древесины к сжатию и снижается уровень внутренних напряжений в материале.
Таким образом, поставленная цель данных исследований достигнута благодаря использованию в качестве источника энергии при обработке поверхности деревянных образцов генератора низкотемпературной плазмы. Экспериментальные исследования по нанесению защитного покрытия на по-
верхность различных пород древесины подтвердили, что полученная древесина является высокотехнологичным продуктом обработки дерева в высокотемпературной среде, в результате чего она приобретает совершенно новые свойства: легкость, стойкость к атмосферным осадкам, красивый внешний вид, устойчивость геометрических параметров. Благодаря высоким физикомеханическим свойствам значительно расширяются ее сферы применения как строительного и отделочного материала.
Библиографический список
1. Соколов, О.М. Исследование изменения состава древесины при обработке низкоэнталь-пийной электронно-пучковой плазмой / О.М. Соколов, М.Н. Васильев, Д.Г. Чухчин // Лесн. журн. - 1999. - № 2-3. - С. 167-175.
2. Способ получения защитно-декоративного покрытия на древесине. Заявка на выдачу патента регистрационный № 2012104467. Приоритет от 08.02.2012.
3. Чухчин, Д.Г. Ресурсосберегающая переработка древесины с использованием плазмохимической технологии : дис. ... канд. техн. наук: 05.21.03. - Архангельск : Арх. гос. тех. ун-т, 1998. - 128 с.
4. Плазмохимическая обработка поверхности древесины для улучшения ее резонансных свойств / В.И. Онегин, Ю.П. Удалов,Г.С. Корсаков [и др.]. - М. : ВИНИТИ, 28.04.97, № 1414-В97, 1997. - 10 с.
