| Обратная связьРассылка
Для того, чтобы получать уведомления о новых номерах журнала, оставьте свой E-mail адрес.
Исследование процесса термомодифицирования древесины в жидкостях
Описана энерго- и ресурсосберегающая технология термомодифицирования древесины. Представлен анализ древесины при разных температурных режимах обработки
Ключевые слова: энергосберегающие технологии, древесина, термомодифицирование
It is described power- and resource-saving technology of thermomodifying of wood. The analysis of wood is presented at different temperature modes of processing
Keywords: power saving up technologies, wood, thermomodifying
Термомодифицированная древесина является натуральным материалом и достойной альтернативой полимерным композитам благодаря своим уникальным свойствам, такими как экологичность, повышенная биостойкость, долговечность, низкая равновесная влажность и широкая цветовая гамма.
Последние 10-15 лет исследования в данной области ведутся в таких странах, как Финляндия (технология – Thermowood®), Франция (Retification), Америка (WEST-WOOD), Латвия (Vacuum Plus), Германия (Thermoholz) [1].
Проблемам исследования и разработки технологии термомодифицирования древесных материалов в жидкостях посвящены также многие работы зарубежных ученых: вопросам теплопереноса в технологиях термообработки древесины, теплофизических свойств древесины, математического моделирования процессов тепло- и влагопереноса древесины – работы ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам обработки древесины в среде органических масел – работы Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany) [2-4].
Общей характеристикой современных способов термомодифицирования древесины можно обозначить температурный диапазон обработки от 180 до 240°С, что объясняется физико-химическими процессами, протекающими в древесине при данной температуре, способствующими изменению цвета материала и его физико-механических характеристик.
К принципиальным отличиям можно отнести: время обработки от 16 до 180 часов и среду, например в защитной атмосфере водяного пара (Thermowood, PLATO-Wood, WEST-WOOD), в вакууме (Vacuum Plus), в защитной атмосфере инертного газа – азота (Retification), в среде органических масел (Thermoholz). Также многие из представленных технологий отличаются высокой энергоемкостью процесса и предназначены для термообработки только низкосортной древесины, что ограничивает возможность их применения для твердых пород.
Технология термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях отличается экологичностью и является современной альтернативой химическим способам обработки древесины. Современная технология Termoholz, где термообработка происходит в среде органических масел, отличается значительной продолжительностью процесса за счет охлаждения материала естественным образом и не предусматривает обработку твердых пород древесины.
Разработка технологии термомодифицирования, предназначенной для обработки твердых древесных пород и обеспечивающей качество получаемого продукта, а также равномерное цветовое решение по сечению материала является актуальной задачей. Для ее решения необходимо исследовать процесс высокотемпературной обработки древесных материалов в гидрофобных жидкостях, провести анализ влияния высоких температур на древесину, как объект термообработки.
В связи с этим была предложена энергосберегающая технология термомодифицирования древесины твердых пород в жидкостях, включающая предварительную осциллирующую сушку пиломатериала в жидкостях, нагрев до температуры 200–240оС и выдержку древесины при данных температурах в герметичной камере, заполненной маслом с температурой кипения выше 260°С, охлаждение путем слива масла, вакуумирования древесины, пропаривания ее водяным паром и повторного вакуумирования в течение 2-3 часов.
Процесс термообработки древесины в жидкой среде можно представить как совокупность стадий нагрева и термомодифицирования пиломатериала, а также охлаждения, которое в свою очередь включает слив жидкости, вакуумирование, пропарку водяным паром, повторное вакуумирование и выдержку в условиях вакуума (рис. 1).
Рис.1. Схема ведения процесса морения пиломатериалов термомодифицированием в жидкости
Процесс термомодифицирования древесины начинают с заполнения рабочей полости камеры гидрофобной жидкостью путем создания разрежения в камере с последующим ее прогревом при давлении, не превышающем атмосферное значение, и постепенным прогревом древесины до 200–240°С. Затем осуществляют ее выдержку в жидкой среде при данной температуре в зависимости от требуемой степени термомодифицирования.
При достижении необходимой степени термомодифицирования производят слив всей жидкости, после чего с помощью вакуумного насоса и конденсатора создают вакуум и осуществляют выдержку материала с целью удаления агента обработки из внутренних полостей клеток древесины. Затем подают водяной пар в пространство камеры, где он контактирует с горячим деревом и перегревается, при этом для поддержания в камере заданной температуры среды в работу включается внутренний конденсатор. После обработки древесины в среде водяного пара в камере снова создают вакуум и выдерживают древесину. Применение стадий вакуумирования и пропаривания после термомодифицирования древесины направлено на снижение температуры материала до 120–130оС и на предотвращение самопроизвольного возгорания древесины при заданных высоких температурных режимах, а также на снятие внутренних напряжений в материале и снижение запаха жженой термодревесины в процессе дальнейшей ее эксплуатации.
После завершения стадии термической модификации материал следует охладить без доступа кислорода воздуха во избежание его самовозгорания. Понижение температуры продукта осуществляется непосредственно в камере путем подачи водяного пара из парогенератора.
Для определения оптимальных режимных параметров процесса были проведены исследования. В качестве агента обработки при проведении экспериментальных исследований была использована гидрофобная жидкость с температурой кипения более 260 °С.
В процессе термомодифицирования древесины в жидкостях внутри материала наблюдаются два взаимообратных потока: поток пропитывающей жидкости из окружающей среды, направленный внутрь пиломатериала, и поток парогазовой смеси продуктов разложения, направленный из древесины. При этом процесс пропитки представляет собой движение смачивающей жидкости в капилляре с защемленным газом, а основное влияние на ее продвижение оказывают процессы растворения и диффузии парогазовой смеси в пропитывающую жидкость [5]. Процесс пропитки древесины жидкостью происходит когда скорость движения жидкости в тупиковом капилляре, определяемая скоростью растворения и диффузии защемленного в нем газа, будет больше или равна скорости взаимообратного потока газообразных продуктов разложения. В противном случае, парогазовый поток продуктов разложения будет приводить к выдавливанию пропитывающей жидкости из древесины.
Анализ полученных результатов для образцов древесины различных пород (береза, сосна, дуб) толщиной 50 мм показал, что интенсивность потока пропитывающей жидкости прямо пропорциональна температуре термомодифицирования, при этом глубина проникновения агента обработки в пиломатериал зависит не от пропитываемости натуральной древесины, а от её базисной плотности (рис. 2).
Рис. 2. Средняя глубина пропитки древесины
В частности, пропитываемость натуральной березы выше, чем пропитываемость ядровой зоны натуральной сосны, однако глубина проникновения агента обработки в термососну (сосну, прошедшую термообработку) оказалась больше, чем в случае с термоберезой. Это можно объяснить тем, что при термомодифицировании древесины происходит высвобождение полостей макроструктурных элементов материала от содержащихся в них веществ (например, смол), в свою очередь определяющих способность пиломатериала к проницаемости жидкостями. Поэтому термомодифицирование древесины в гидрофобных жидкостях рациональнее применять для твердых пород, обладающих большей плотностью и, тем самым, меньшей глубиной проникновения агента обработки, что позволит снизить расход гидрофобной жидкости на проведение процесса и избежать больших потерь материала в процессе его дальнейшей механической обработки.
Экспериментальные данные нагрева жидкости и погруженной в нее древесины указывают на неравномерность нагрева материала по толщине при погружении образца в предварительно нагретую жидкость, и, напротив, при одновременном прогреве жидкости и помещенного в нее материала осуществляется равномерная по сечению материала термообработка.
Результаты проведенных экспериментальных исследований изменения интегральных плотностей термомодифицированной древесины в гидрофобных жидкостях показали, что термомодифицирование оказывает прямое влияние на изменение плотности древесины, при этом, чем выше температура обработки, тем интенсивнее снижение плотности материала. В то же время порода древесины не оказывает значительного влияния на изменение данного параметра.
Анализ результатов кинетики относительной массы дубового образца при различных температурных режимах обработки показал, что масса пиломатериала с учетом пропитывающей жидкости изменяется в зависимости от температуры обработки следующим образом: при относительно невысоких температурах 180°С, 200°С масса образца начинает интенсивно расти с самого начала процесса, что свидетельствует о проникновении агента обработки в пиломатериал, а при более высоких температурах 220°С, 240°С наблюдаются интенсивные потери массы образца в первые 1-3 часа, что свидетельствует об активной стадии выделения продуктов разложения древесины, препятствующих пропитке пиломатериала (рис. 3).
Рис. 3. Кинетика относительной массы термодревесины в процессе термообработки в жидкости
В ходе проведенных исследований установлено, что толщина пиломатериала напрямую влияет на продолжительность процесса и глубину проникновения агента обработки в материал. При этом глубина пропитки материала увеличивается в меньшей пропорциональной зависимости, чем продолжительность процесса, поэтому термомодифицирование древесины в жидкостях целесообразнее производить для пиломатериалов с большей толщиной.
Представленная технология термомодифицирования древесины в жидкостях может применяться как крупными, так и малыми деревообрабатывающими предприятиями благодаря своему конструктивному решению, при этом снижаются энергетические затраты, улучшается качество термомодифицированной древесины, окрашивание материала происходит равномерно по всей толщине, а цветовое решение может быть спрогнозировано.
Список литературы
1. Repellin V. Optimisation des paramètres durée et temperature d`un traitement thermique du bois. Modifications des proprieties d`usage du bois en relation avec les modification physic-chimiques et ultrastructurales jccasionnées par le traitement termique // Saotenue à Saint-Entienne, 2006, - 262.
2. Deliiski N., Dzurenda L. Modeling of thermal processes in the technologies for wood processing // Technical University, Zvolen, 2010. – 224.
3. Koski, Anna, Applicability of crude tall oil for wood protection // University of Oulu, Finland Acta Univ. Oul. C 293, 2008
4. Sailer, M., Rapp, O.A. and Leithoff, H. (2000). Improved resistance of Scots pine and spruce by application of an oil-heat treatment. The International Research Group on Wood Preservation. Document No.IRG/WP 00-40162, 16p.
5. 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.
УДК 674.04
