3753

УДК 674.04

Шамаев, В.А. Модификация древесины [Электронный вариант]: мето-

дические указания для самостоятельной работы аспирантов по направлению подготовки 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве, направленность про-

граммы – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

/ В.А. Шамаев; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Во-

ронеж, 2016. - 37с.

Оглавление

Введение ……………………………………………………………………… 4 1. Группы технологических процессов ………………………………… 4

2.Общие указания к изучению курса …………………………………... 6

3.Указания к определенным главам курса …………………………….. 7

3.1Введение ………………………………………………………………….. 7

3.2Классификация способов модификации древесины …………………... 9

3.3 Термомеханическое модифицирование древесины …………………… 12

3.4Термохимическое, радиационно-химическое и химическое модифицирование древесины ……………………………………………….. 14

3.5Пропитка, сушка и прессование древесины ……………………………. 16

3.6Химико-механическое модифицирование древесины. Теоретические основы модифицирование сушкой под давлением ………………………... 26

3.7Новые способы модифицирования древесины. Физико-механические свойства модифицированной древесины …………………………………… 27

3.8Технология и оборудование производства изделий из модифицированной древесины ……………………………………………… 31

Библиографический список………………………………………………… 37

Введение

Под модифицированием древесины понимаются процессы направленного улучшения одних свойств древесины без ухудшения других свойств.

В курсе «Модификация древесины» изучаются теория, технология, оборудование производственных процессов модифицирования древесины (прессование, сушка, пропитка), а также свойства модифицированной древесины различных марок.

Цель процессов модифицирования древесины - увеличение прочностных свойств, увеличение стабильности форм и размеров, пластификация, улучшение текстуры и придание новых свойств.

1.Группы технологических процессов

По отдельным группам технологических процессов эти цели сводятся к следующему:

1.1При пластификации древесины:

-уменьшение твердости, что приводит к снижению усилий прессования;

-увеличению подвижности отдельных анатомических элементов древесины, связанное с разрывом водородных и сложноэфирных связей между целлюлозой и лигнином.

Способы пластификации могут быть:

-нагревание древесины конвективным или контактным способом, а также токами СВЧ;

-пропаривание перегретым паром;

-насыщение древесины пластификаторами (водной или жидкий аммиак, карбамид, дициандиамид, ангидрид масляной кислоты).

1.2При прессовании древесины механическим сжатием или сушкой под давлением:

а) увеличение прочности и износостойкости; б) увеличение статической и динамической твердости; в) увеличение модулей плотности и сдвига;

г) увеличение технологических и эксплуатационных показателей свойств.

1.3При пропитке древесины могут быть использованы способы вымачивания, горяче - холодной ванны, автоклавная пропитка, аэрозольная пропитка обработка, ультразвуком.

При этом достигаются следующие результаты:

-введение в древесину пластификаторов, упрочнителей, стабилизаторов размеров, красителей;

-реверсивная пропитка с торца под давлением изменителями текстуры древесины;

-вакуумная пропитка тетракарбонилом никеля, увеличивающем теплопроводность древесины; -защита древесины от гниения, возгорания путем введения антисептиков и антипирентов;

-увеличение антифрикционных свойств введением масел и других наполнителей;

-придание новых свойств за счет введения аморфной, фибриллярной и нанокристаллической целлюлозы.

1.4При воздействии на древесину электрических и магнитных полей, ультразвуковых волн достигается:

-размягчение древесины за счет дезинтегрирования кристаллической решетки целлюлозы в результате обработки ультразвуком;

-упрочнение древесины за счет поперечной сшивки по свободнорадикальному механизму при воздействии слабых импульсных магнитных полей;

-способность древесины насыщаться наноцеллюлозой в ультразвуковой пропиточной установке;

-активация наноцеллюлозы и красителей в древесине при воздействии сильных магнитных полей;

-возникновение новых свойств древесины, например, «эффекта памяти» при воздействии электрических полей и плазмы.

Процессы модификации древесины имеют очень большое значение как для деревоперерабатывающей промышленности, так и народного хозяйства в целом, т.к. позволяют экономить для страны древесину ценных пород, черные и цветные металлы, пластические массы, текстолит, древесно-слоистые пластики, фанеру и другие материалы.

Процессы модифицирования древесины имеют важное значение при создании новых конструкционных материалов для домостроения, оборонной промышленности и сельскохозяйственного машиностроения, т.к. вновь соз-

даваемые материалы с требуемым набором показателей свойств позволяют качественно изменить структуру этих материалов и создать новое поколение конструкций будущего.

Без специальных знаний и высокой квалификации обслуживающего персонала, занятого при проведении технологических процессов модифицирования древесины невозможно рациональное выполнение операций, правильная эксплуатация применяемого сложного и дорогостоящего оборудования, достижение необходимых показателей физико-механических и эксплуатационных характеристик модифицированной древесины. Это ставит цехи и заводы модифицирования древесины в число наиболее ответсвенных процессов в деревопереработке.

2. Общие указания к изучению курса

Явления и закономерности модифицирования древесины многообразны и сложны по своему физическому содержанию. Оборудование для их практического проведения и его эксплуатации обладают рядом специфических особенностей.

Для успешного изучения настоящего курса, кроме общетехнических дисциплин, студент должен знать древесиноведение, гидротермическую обработку древесины, химию, станки и оборудование деревообрабатывающих производств, сопротивление материалов, теплотехнику, лесопильное производство.

Примерное содержание установочных лекций и количество часов, отведенных на них в период экзаменационной сессии.

1.Классификация способов модифицирования древесины. Термомеханическое модифицирование древесины – 2 часа.

2.Химико-механическое модифицирование древесины – 2 часа.

3.Химическое, термохимическое модифицирование древесины. Свойства модифицированной древесины. Области применения модифицированной древесины. Техника безопасности и охрана труда при модифицировании – 2 часа.

Курс изучается путем:

а) самостоятельной проработки курса лекций и учебных пособий согласно программе;

б) лекций во время сессионных занятий;

3.Указания к отдельным главам курса

3.1Введение

Цель дисциплины «Модифицирование древесины» - подготовка инже- неров-технологов и бакалавров по направлению подготовки 250400 в области организации и проведения технологических процессов сушки, тепловой обработки и пропитки древесины, широко используемых в деревообрабатывающей промышленности и направленных на придание древесины требуемых технологических свойств: обеспечение ее размерно- и формоустойчивости, повышение прочности и долговечности, а в конечном итоге – на улучшение качества изделий и сооружений из древесины, продление сроков их службы и рациональное использование древесного сырья.

Задачи дисциплины – изучение теории процессов прессования, сушки и пропитки древесины, современной технологии этих процессов, оборудования прессовых, сушильных и пропиточных устройств, их эксплуатации и проектирования.

Врезультате изучения дисциплины студент должен знать:

-классификацию способов, цели и задачи модифицирования, основные термины и определения:

-теоретические основы модифицирование древесины (теория П.Н. Хухрянского, В.А. Шамаева, Г.М. Шутова, К.П. Швалбе):

-стандартизацию, сертификацию и метрологию в области модифицирования древесины:

-способы модифицирования древесины:

-физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства модифицированной древесины:

-технологию прессования, пропитки и сушки древесины:

-оборудование для производства модифицированной древесины и изделий из нее:

-технико-экономическую эффективность производства и применения модифицированной древесины в различных отраслях:

-режимы технологических операций модифицирования, методы их контроля и регулирования.

Студент должен уметь:

-определить параметры процессов модифицирования древесины, в т.ч. по диаграмме , Idдиаграмме, уравнениям пропитки:

-рассчитывать продолжительность процесса прессования с одновременной сушкой, степень прессования:

-рассчитать количество и расход модификатора при пропитке древесины:

-назначать режим и рассчитывать продолжительность процессов в различных способах модифицирования древесины по кривым изменения параметров:

-оценивать результаты модифицирования по показателям свойств получаемого материала путем измерения плотности, влажности, прочности, формоизменения:

-планировать работу цехов по производству изделий из модифицированной древесины.

3.2Классификация способов модификации древесины

Наиболее изученными и широко применяемыми способами улучшения свойств древесины являются ее антисептирование и апнтипирирование, которые широко освещены в специальной литературе и поэтому на них нет необходимости останавливаться. Рассмотрим способы улучшения таких свойств древесины, как повышение прочности, стабильности размеров, антифрикционных свойств и др.

Как известно, основными техническими приемами модифицирования являются пропитка, прессование и термическая обработка, включающая сушку древесины. Дополнительно древесина может подвергаться воздействию магнитных и электрических полей, ультразвука, проникающей радиации, энергии лазера, плазмы и т.д.

Посредством пропитки вводятся вещества, увеличивающие прочность, формостабильность древесины.

Врезультате прессования увеличивается плотность древесины и соответственно возрастают прочностные свойства. Термическая обработка во всех случаях способствует закреплению приобретенных свойств.

Впервые получена братьями Пфлеймер в 1915 году прессованная древесина выпускается до сих пор в небольших количествах в Западной Европе

иСША под марками «лигностон», «стейпак», «стейбвуд». Основное назначение - ткацкие челноки. Одновременно с появлением прессованной древесины начали развиваться способы модифицирования древесины, основанные на пропитке древесины синтетическими мономерами и олигомерами. Эти способы получили развитие в Японии, Германии, США и Польше. В Польше древесина, модифицированная стиролом (товарный знак «лигномер»), выпускается и в настоящее время.

ВСловакии, начиная с 70-х годов ХХ в. выпускается модифицированная аммиаком прессованная древесина марки «лигнамон».

Однако наиболее глубокие исследования и широкая производственная проверка в области модифицирования древесины были проведены в СССР. В нашей стране сложились 4 направления модифицирования, отраженные в государственных стандартах термохимическое (радиационно-химическое), термомеханическое, химическое и химико-механическое.

Термохимическое модифицирование древесины заключается в пропитке сухой древесины мягких лиственных пород синтетическими мономерами

иолигомерами (стирол, метилметакрилат, фурановые смолы, фенолоспирты, полиэфирные смолы, карбамидоформальдегидные смолы и др.) с последующими полимеризацией и отверждением термокаталитическими или радиационным способами. Этот способ получил распространение в Белоруссии под руководством Г.М. Шутова и А.С. Фрейдина в г. Обнинске. В результате обработки древесина приобретает водовлагостойкость, повышенную прочность. Недостатком способа является высокая стоимость, токсичность модифицирующих агентов, и сложность технологического процесса. Эти обстоятельства привели к тому, что организованное производство изделий из модифицированной древесины (г. Гродно, г. Борисов, г. Соликамск) в настоящее время остановлено. Несколько дольше просуществовало производство дре- весно-полимерных подшипников скольжения, где сочетались пропитка полимерами с прессованием древесины. Теория и практика этого производства разработана Б.И. Купчиновым и В.И. Врублевской.

В семидесятых годах возникло, но не получило развития химическое модифицирование древесины ацетилированием, энтузиастом которого был К.П. Швалбе.

Наибольшее распространение в СССР получило термомеханическое модифицирование (прессование) древесины, развитое в трудах П.Н. Хухрянского, Н.Т. Нысенко. По этому способу древесина уплотняется в прессформах до требуемой прочности, затем наполняется антифрикционными составами. Применяется для изготовления деталей трения. Недостатки способа те же, что и у предыдущих способов - сложность и мелкосерийность производства, нестабильность материала в среде с переменной влажностью. По этой причине десятки опытно-промышленных цехов и участков по выпуску прессованной древесины со временем закрылись, и в России действует лишь одно предприятие во Владимирской области, выпускающее заготовки для ткацких челноков.

Химико-механическое модифицирование древесины, включающее химическую пластификацию аммиаком и последующее уплотнение наибольшее развитие получило в Латвии, где работали талантливые ученые Г.В. Берзиньш и К.А. Роценс. Модифицированная древесина, получаемая по этому способу, обладала повышенной, по сравнению с прессованной древесиной, формостабильностью и имела товарный знак «лигнамон». Впервые при реализации этого способа технологические стадии уплотнения и сушки были совмещены (хотя и частично) по месту и времени. Разработанная технология получения «лигнамона» автоклавным методом нашла применение в Словакии, где «лигнамон» производится для моделей литья и товаров народного потребления. Недостатком данного способа является необходимость работы с токсичным аммиаком и, как следствие, сложность технологического оборудования.

Анализ способов модифицирования древесины закономерно ставит вопрос: целесообразно ли экономически модифицировать древесину? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим проблему с другой стороны: является ли модифицированная древесина уникальным материалом, не имеющим традиционных сфер применения? Нет, все современные марки модифицированной древесины позволяют квалифицировать ее как материал, идущий на замену классических конструкционных материалов. Так, прессованная древесина применяется как заменитель черных и цветных металлов, пластиков и пластмасс в узлах трения машин и механизмов. Поэтому, несмотря на примитив-