CCBot/2.0 (http://commoncrawl.org/faq/)
Главная   Информационные статьи   Технологии   Механохимически модифицированная древесина: технология и свойства

Механохимически модифицированная древесина: технология и свойства

Добавлено: 23.06.2009

Механохимически модифицированная древесина: технология и свойства

Древесина – это природный полимерный композиционный материал, который при механическом и химическом воздействии меняет свои свойства.  Зная закономерности изменения материала можно создавать их целенаправленно, придавая качества, необходимые потребителю. Это и называется процессом модификации древесины. Он необходим при производстве ДСП, МДФ, ОСБ, ДПК и других древесных материалов, где измельченная древесина, смешанная с полимерным связующим, прессуется с целью получения однородного материала стандартных размеров.

Предлагаемая технология модификации древесины изменяет свойства древесины в массиве, то есть на всю глубину обрабатываемого материала, не прибегая к его измельчению. Это достигается тем, что молекулы модификатора, т. е. вещества, способствующего изменению свойств древесины, по размеру сравнимы с молекулами древесного вещества и менее размеров межклеточных пространств в нем. Поэтому способом диффузионной или принудительной пропитки под давлением модификатор проникает на всю толщину пропитываемого изделия, а затем под воздействием температуры и давления реагирует с природными химикатами, находящимися в древесном веществе. Таким образом, технология позволяет, не измельчать древесину, не применять дорогостоящие полимерные связующие, и, достигать того же эффекта, которого добивались при производстве МДФ, например, но более дешевым способом. При этом сохраняется массив древесины со всеми его положительными свойствами, ярче выделяется текстура, можно изменить цвет (ламинация не потребуется).

Итак, модификатор должен в растворенном состоянии проникать в клеточные структуры древесины, быть химически активным для компонентов, составляющих древесное вещество, и, реагируя с этими компонентами, целенаправленно изменять физические и эксплуатационные свойства материала. Наиболее подходящим для этого веществом является карбамид, ведь и в упомянутых ранее МДФ или ОСБ самые применимые связующие – карбамидные. Карбамид растворим в воде, в том числе и в той, что содержится в связанном состоянии в древесине, а это означает, что, пропитывая древесину водным раствором карбамида, мы, как это не парадоксально «подсушиваем» ее, «забирая» часть древесной влаги на гидрофильный карбамид. Карбамид или мочевина активно реагируют с такими компонентами древесного вещества, как лигнин, гемицеллюлозы, экстрактивные вещества. А поскольку реакция поликонденсации происходит в макромолекулах древесного вещества, массив древесины приобретает новые задаваемые производителем полезные качества, сохранив положительные старые. Раствор карбамида не вреден, химически нейтрален, более того – мочевина марки А по ГОСТ 6691-77 применяется как кормовая добавка для скота.

Модифицированная карбамидом древесина сертифицирована (ГОСТ 24329-80) и применяется в основном под торговой маркой «Дестам» или «Лигноферум» в производстве подшипниковых вкладышей. В производстве строительных и столярных изделий в настоящее время применяется также термомодифицированная древесина, технология которой подобна предлагаемой за исключением того, что химическая модификация древесного вещества производится в отсутствии карбамида за счет поликонденсации продуктов разложения лигнина, гемицеллюлоз, экстрактивных веществ и ксиланов. Из-за термодеструкции частично снижаются физико-механические свойства термомодифицированной древесины.

Технологический процесс производства механохимически модифицированной древесины заключается в пропитке исходной древесины любой породы и любой влажности раствором модификатора. Пропитка может быть проведена методом «горяче-холодных ванн» - диффузионная или в автоклаве – принудительная. Затем проводится сушка, при необходимости – с уплотнением (прессованием), и термообработка, фиксирующая новые свойства древесины. Следует отметить, что экономичнее применять малоценные породы, так как их эксплуатационные свойства после модифицирования превосходят свойства дорогих пород (см. таблицу).

Свойства (при влажности 12%)
Дуб
Сосна
Осина
МД непрессо-ванной осины
МД прессо-ванной осины
Цвет
светлобурый
жел-тый
белый
От желтого до корич-невого
До черного
Текстура
выра-жена
слабо
не выражена
Ярко выражена
Ярко выраже-на
Плотность
690
505
495
700
1200
Влагопоглощение за 30сут. При влажности воздуха 92% , %
24,5
19,5
19,0
14,6
14,9
Предел прочности при: сжатии вдоль волокон; статическом изгибе, Мпа
57,1103,0
50,482,0
44,777,4
100,0123,0
150,0250,0
Твердость поперек волокон, Мпа
52,0
26,0
18,5
73,0
100,0
Биостойкость: потеря массы от воздействия плесени за 45сут, %
27
27
27
4,0
3,5
Огнестойкость: потеря массы при горении, %
18,3
36,2
19,6
5,0
3,3
Модуль упругости при изгибе, Гпа
10,2
11,8
9,2
20,1
24,7
Ударная вязкость, кДж/кв.м
76,3
41,3
45,0
54,0
110,0

Обработанная таким образом исходная древесина во время сушки химически уплотняется в результате удаления воды и реакции модификатора с древесным веществом: на 5-31% для хвойных пород и на 12-35% для лиственных. При необходимости большего уплотнения применяется горячее прессование высушенной древесины с уплотнением на 50-70%.

Применяя различные добавки к модификатору, из любой породы исходной древесины можно получить модифицированную древесину (МД) с повышенными прочностными свойствами, высокой твердостью и истираемостью, не поддерживающую горения или полностью несгораемую, с повышенной водо- и влагостойкостью, не подверженную воздействию биовредителей. И еще механохимически модифицированная древесина превращается в термопластичный материал, то есть ее можно прессовать, легко гнуть, обрабатывать термопрокаткой, что открывает новые технологические возможности обработки МД. Форма, придаваемая МД, сохраняется термообработкой.

Если требуется получить только бревно, брус или доску из модифицированной древесины, которые впоследствии будут подвержены традиционной деревообработке, то процесс можно последовательно проводить в пропиточных ваннах или автоклаве, сушку – в обычной сушильной камере, термообработку – в камере термообработки с температурой до 200 оС. Для совмещения этих процессов разработана и испытана специальная установка модификации древесины (УМД).

Автоклав
Рис.1 Опытно-промышленный образец установки для модификации древесины с загрузочным объемом 0,2 куб.м

Установка позволяет проводить пропитку раствором модификатора под давлением, ускоренную сушку пропитанной древесины при переменном давлении и температуре и окончательную термическую обработку в течение одного цикла. Установка позволяет также уплотнять МД или выпрессовывать специальный профиль на изделии с помощью термокомпрессионного вкладыша, входящего в комплект УМД.

Так бревно ели диаметром 150мм длинной 2,5м в свежесрубленном состоянии с влажностью 85%, плотностью 450кг/куб.м., со всеми присущими данной породе недостатками (выпадные сучки, малая био-огне-влагостойкость) через 77 часов обработки в УМД имеет следующие свойства:

  • влажность 8%;
  • плотность 630кг/куб.м.;
  • огнестойкость повышена на 50%, а при применении специальных добавок к модифицирующему раствору бревно вообще не поддерживает горение;
  • влагостойкость повышена на 30% (больше - при применении спецдобавок к модификатору);
  • МД воздействию биовредителей (плесень, грибки, жучки и т.д.) не подвержена;
  • выпадные сучки впрессованы и вплавлены;
  • на бревне в процессе сушки могут быть выпрессованы паз и гребень для сочленения при сборке сруба (опробовано - глубиной 15мм );
  • текстура древесины ярко выражена, цвет можно изменять от золотистого до темно-коричневого по всей толщине.

Механохимически модифицированная древесина обрабатывается на серийных деревообрабатывающих станках с учетом ее твердости при заточке инструмента. Благодаря повышенной деформативности МД до термообработки, применяются такие виды обработки как прессование в прессах с нагреваемыми плитами, гибка и прокатка.

Механохимически модифицированная древесина
Рис.2 Образцы древесины, обработанной в УМД: бревна сосны, березы, ели, брус дуба справа бревна с выпрессованными пазами под сборку

Прессование позволяет получать на поверхности щита из МД многоуровневое изображение (резьбу) глубиной до 10мм и выше, а также плоское изображение с эффектом объемности (голографию). Кстати после горячего прессования не требуются операции шлифования, так как качество поверхности изделия задается полировкой пресс-формы. Не нужно также лакирование, так как модифицирующий состав образует на поверхности изделия защитную пленку при прессовании.

Многоуровневое изображение
Рис.3 Филенки из механохимической модифицированной древесины березы (слева рельефная, справа - плоская)

Размеры прессуемого изделия по площади определяются размерами обогреваемых плит прессового оборудования, причем стоимость самого оборудования также зависит от этих размеров. Чтобы избежать этого при изготовлении изделий большой площади из механохимически модифицированной древесины применяется способ термокомпрессион-ного формования.

Способ осуществляется следующим образом: деревянную заготовку в виде набранного из реек столярно-мебельного щита помещают в нижнюю часть специальной пресс-формы (СПФ), контуры которой соответствуют контурам заготовки. Сверху размещают рельефообразующий штамп, формирующий под действием давления декоративное изображение на поверхности заготовки. Между верхней и нижней частями СПФ находится составной терморасширяющийся эластичный формующий вкладыш, который при нагревании обеспечивает необходимое давление до 30Мпа. Степень деформирования заготовки зависит от толщины вкладыша. Размеры прессуемого изделия определяются лишь размерами СПФ и составного вкладыша, что позволяет изготавливать целиком столешницу или филенчатую дверь любого размера.

Заготовки столярно-мебельного щита изготавливают из отдельных реек МД, которые могут быть разной ширины, но одинаковой толщины. Технический результат достигается тем, что в исходных рейках из модифицированной древесины выполняют калиброванные отверстия с определенным шагом, образуя поперечные каналы, соосные с последующими рейками щита, а на боковых поверхностях выполняют продольные канавки, образуя внутреннюю силовую армирующую решетку, с последующим заполнением свободных каналов смесью карбамидной смолы с пенообразователем и наполнителем в виде опилок. Состав материала заполнителя силовой решетки однотипен модификатору и между ними в процессе прессования создаются дополнительные поперечные полимерные связи в результате реакции поликонденсации. Силовая армирующая решетка обеспечивает монолитность изделия при эксплуатации и исключает коробление щита больших размеров.В предлагаемом способе при подготовке реек из МД снижаются требования к точности изготовления по сравнению с традиционными способами клеевого сращивания, вследствие чего появляется возможность автоматизации процесса, а также нет необходимости в тщательном подборе текстуры и цвета. Их частичное несоответствие компенсируется созданием однородного цветового фона и декоративного узора при горячем прессовании. Кроме того, подобный способ предполагает широкий ассортимент изделий при использовании разнообразных пород древесины, в том числе и не деловой

Технологический процесс гибки заключается в сквозной пропитке исходной древесины модифицирующим раствором, сушке до определенной влажности, разогрева заготовки древесины непосредственно перед гнутьем, собственно гнутье с термической обработкой зафиксированного на шаблоне изогнутого изделия в термокамере. После термической обработки размеры изделия могут измениться лишь при его нагреве свыше 200оС. Наибольшие трудности процесса гнутья возникают при гибке твердолиственных пород, так как для бука и дуба невозможно сохранить исходный цвет древесины при необходимости больших деформаций. В результате дуб становится мореным (черным), а бук темно-коричневым. Лучше всего гнется осина, при этом она приобретает золотистый оттенок.Мелкосерийно, в виде пробной партии, опробовано изготовление рамок для овальных зеркал размером 1410х410мм. Заготовка: буковая рейка длиной 2м, с прямоугольным сечением 12х22мм, причем гнуть необходимо было по наименьшему размеру сечения. Деталь представляла собой U-образную обечайку, с размером сечения на лицевую сторону – 22мм, изгибаемую – 12мм. Гнутье проводилось без шин, так как сделать их для такого малого размера (12мм) проблемно, по шаблону, на котором и термообрабатывали заготовку в зафиксированном состоянии. В результате брак (скалывание) было только тогда, когда на наружную сторону был выход перерезанных волокон (косослой). Результаты – на фото.

Гнутая буковая заготовка для обечайки
Рис.4 Гнутая буковая заготовка для обечайки

Опробована сушка и прессование торцовых заготовок из механохимически модифицированной древесины. Прессование торцовых заготовок из МД имеет свои особенности: МД уплотняется в аксиальном направлении, т. е. вдоль волокон, что подразумевает приложение меньшего удельного давления, но это давление необходимо подобрать таким, чтобы избежать потерю устойчивости деформируемой заготовки и образования в ней трещин, так как тангенциальные и радиальные напряжения, возникающие при торцовом прессовании, имеют противоположные знаки.

Торцовая заготовка из МД сосны
Рис.5 Торцовая заготовка из МД сосны

В результате проведенных исследований физико-механических свойств торцовой модифицированной древесины установлено, что в качестве параметра, характеризующего как сам процесс прессования, так и получаемый материал, можно принять степень деформирования древесины. Усилие прессования зависит от исходной плотности применяемой породы древесины и направления прессования. Для достижения одинаковой плотности МД различных пород степени деформирования значительно отличаются и зависят от исходной плотности древесины и ее влажности в процессе прессования. Установлено также, что предельная деформативность торцовых заготовок МД сосны составляет 75%, а МД березы – 70%. Однако при таких больших деформациях происходит потеря устойчивости волокнами модифицированной древесины, что приводит к образованию сколов и трещин на лицевой поверхности образцов. Следовательно, для устранения этих факторов необходимо ограничить радиальную деформацию МД, т. е. небходимо применять прессформы с боковым поджимом МД в процессе проведения торцового прессования.

В настоящее время из торцовой древесины изготавливаются корпуса барометров на ООО«Утес», при использовании для модифицирования исходных заготовок больших размеров предполагается изготавливать табуреты и столики «деревенского дизайна».

Предполагаемыми потребителями продукции из МД будут фирмы, основным направлением деятельности которых является строительство и отделка жилых помещений, так как свойства производимого продукта уникальны. Так несгораемое бревно и брус являются ценнейшим материалом для строительства домов, бань, хозяйственных построек. Разработаны технологии и оборудование для комплектации всего сооружаемого объекта изделиями из МД: бревно и брус для силового каркаса, доска для пола и перекрытий, молдинг и брус для дверных и оконных блоков, щиты для внутренней декоративной отделки здания. При этом цены продукции будут не значительно выше цен изделий, изготавливаемых традиционно из деловой древесины, а свойства уникальны. Дальнейшее освоение рынка определено декоративными свойствами МД и технологическими возможностями её переработки: прессуемость, возможность гибки и прокатки. Это определяет следующий круг потенциальных потребителей: отделочники, мебельщики, дизайнеры, паркетчики.

Имеющийся опыт показывает, что создание производственных участков по изготовлению модифицированной древесины не требует больших затрат и больших площадей. Оборудование может быть изготовлено силами ремонтно-механических служб предприятия. Вышесказанное позволяет говорить о том, что использование модифицированной древесины, вовлечение в производство дешевой малоиспользуемой древесины мягких лиственных пород позволит расширить области применения древесины, снизить затраты на производство и полнее использовать лесные ресурсы страны.


Статья предоставлена Кухаревым Виктором Алексеевичем
Связаться с Виктором можно по e-mail: viktor@equipnet.ru

>>>Хотите обсудить эту статью подробнее? Ждем вас на нашем Форуме<<<

Комментарии

Оставить комментарий с помощью…
  • Equipnet (0)
  • Вконтакте (1)
  • Facebook (0)
Логотип компании
Комментариев пока нет

Вы можете разместить вашу статью в нашей ленте на коммерческой основе
Наш телефон: (495) 983-59-92. E-mail: manager@equipnet.ru

/articles/hi-tech/hi-tech_393.html 0
Интервью
10.03.2016
 Индукционные плиты: когда выгода покупателя означает и выгоду продавца
СУХОРУКОВ
Михаил
Ведущий менеджер технологического направления
Компания «Деловая Русь»
Что представляет собой рынок продаж индукционного оборудования в эпоху кризиса и с чем на него лучше выходить
Почему доллар будет стоить 50 рублей?
Как зарабатывать по 3 000 000 рублей в месяц?
Где купить станок, который делает деньги?
Ответы на эти и другие вопросы ищи в рассылке EquipNet.ru