Способ получения модифицированной древесины
Владельцы патента RU 2605752:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный аграрный университет (RU)
Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к получению модифицированной древесины. Выполняют сушку, вакуумирование и пропитку заготовок древесины водной композицией. Водная композиция содержит фенолоспирт, тридцатипроцентную дисперсию кремнезоля и трехпроцентный водный раствор углеродных нанотрубок. Повышается прочность и биостойкость древесины, снижается содержание в изделиях свободного фенола и формальдегида. 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области обработки древесины, в частности, для производства заготовок из модифицированной древесины высокой коррозионной стойкости.
Известен способ получения модифицированной древесины, включающий сушку натуральной древесины, вакуумирование, пропитку, последующую сушку и термообработку, отличающийся тем, что в пропиточный состав кроме фенолоспирта вводятся различные модификаторы: глифталевый полимер, латексы, кремнийорганические и другие модификаторы в различном соотношении и т.д. (см. а.с. №1348178).
Недостатком данного способа является то, что после отверждения фенолоспиртов с модификаторами или без них в древесине остаются свободные фенол и формальдегид. Использовать такую модифицированную древесину в полах животноводческих помещений нельзя, хотя биостойкость ее в несколько раз выше по сравнению с натуральной древесиной.
Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения модифицированной древесины, включающий пропитку древесины 30-40%-ным водным раствором карбамида до содержания карбамида 10-15% от массы абсолютно сухой древесины, сушку заготовок под механическим давлением при 100-120°C с одновременной формостабилизацией, отличающийся тем, что пропитку осуществляют в водном растворе карбамида, содержащем 10-12% форконденсата карбамидоформальдегидного олигомера (КФО) от массы сухого карбамида, а температуру в конце сушки доводят до 130°C (см. патент РФ №2229377, кл. В27К 5/04, 27.05.2004, бюл. №15, прототип).
Недостатком данного способа является то, что объемное разбухание в воде древесины, модифицированной описанным известным способом, превышает 12%. Такая низкая формостабильность ограничивает круг возможных применений древесины, что и является главным недостатком известного способа. В частности, из нее нельзя изготавливать полы для сельскохозяйственных животных.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении объемного разбухания модифицированной древесины в воде при обеспечении биостойкости.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе получения модифицированной древесины пропитку заготовок осуществляют водной композицией, содержащей: - фенолоспирт 84-90%; 8-12% тридцатипроцентной дисперсии кремнезоля (КЗ) с добавкой 2-4% трехпроцентного водного раствора углеродных нанотрубок (УНТ). Предлагаемый способ и рецептура обеспечивают высокую прочность и коррозионную стойкость модифицированной древесины для полов животноводческих помещений, а также способствуют снижению в изделиях свободного фенола и формальдегида в 2-3 раза (табл. 1, 2).
Технический результат состоит в следующем.
Добавлением к фенолоспирту 8-12% тридцатипроцентной дисперсии кремнезоля (КЗ) с добавкой 2-4% трехпроцентного водного раствора углеродных нанотрубок (УНТ) обеспечивают получение модифицированной древесины плотностью 650-760 кг/м3 и максимальным объемным разбуханием в воде 2,5-3,1%, то есть почти в четыре раза меньше, чем при модифицировании известным способом. Введение тридцатипроцентной дисперсии кремнезоля с добавкой трехпроцентного водного раствора углеродных нанотрубок ускоряет процесс полимеризации и увеличивает степень сшивки полимера с древесиной. За счет этого повышается формостабильность модифицированной древесины.
Дополнительным эффектом можно считать снижение температуры термообработки, которая осуществляется при 90-105°C, что снижает энергозатраты.
Способ осуществляют следующим образом.
Приготавливают водный раствор фенолоспирта необходимой вязкости по вискозиметру ВЗ-4 - 20-25 с, в который добавляют 8-12% тридцатипроцентной дисперсии кремнезоля (КЗ) с добавкой 2-4% трехпроцентного водного раствора углеродных нанотрубок (УНТ).
Фенолоспирт выбран потому, что он наиболее легко проникает в древесину в отличие от других смол и композиций.
Введение 8-12% тридцатипроцентной дисперсии кремнезоля (КЗ) с добавкой 2-4% трехпроцентного водного раствора углеродных нанотрубок (УНТ) в рабочий раствор позволяет не только ускорить процесс полимеризации, но и увеличить степень сшивки полимера с древесиной, за счет чего повышается формостабильность модифицированной древесины. Заготовки из древесины пропитывают полученным раствором с торца под давлением 0,4-0,6 МПа, после чего происходит откачивание модификатора из автоклава и последующее вакуумирование. Далее осуществляется термообработка.
Использование предложенного способа позволяет снизить объемное разбухание модифицированной древесины в воде приблизительно в два-четыре раза по сравнению с известным способом. Кроме того, как видно из графиков (рис. 1-3), прочность древесины, модифицированной предложенным способом, на 50% выше, чем у древесины, модифицированной известными способами.
Этого достаточно для того, чтобы существенно расширить сферу применения такой древесины. Учитывая, что при предложенном способе получается нетоксичный и недорогой материал, можно утверждать, что она найдет широкое применение в качестве полов животноводческих помещений.
Описание иллюстраций.
На рис. 1 представлен характер изменения прочности модифицированной древесины при сжатии поперек волокон при содержании в воде (А) и на открытом воздухе (Б). Из рисунка следует, что прочностные показатели обычной древесины (кривая 1) существенно ниже модифицированной древесины (кривые 2). При этом отмечено положительное влияние наноразмерных добавок кремнезоля и нанотрубок на свойства материала и его сопротивляемость внешним воздействиям. Таким образом, можно сделать заключение о положительном влиянии модифицирования древесины фенолоспиртом с добавками (кривые 3, 4).
Еще более весомым эффектом отмечена сопротивляемость модифицированной древесины воздействию циклического кипячения-высушивания, являющегося наиболее жестким способом выявления стойкости материала к эксплуатационным факторам (рис. 2). Так, модифицированная чистым фенолоспиртом древесина (кривая 2) уже после десяти циклов кипячения-высушивания снижает прочность поперек волокон на 25%, что значительно выше показателей обычной (натуральной) древесины (кривая 1). Это объясняется низкой стойкостью фенолоспирта к высокой температуре (100°C), а также недостаточной водостойкостью при кипячении. Добавка 10%) раствора кремнезоля способствует созданию более прочной структуры полимерного модификатора, что выражается в увеличении стойкости древесины даже при 30 циклах кипячения-высушивания (кривая 3). Еще более значительный эффект повышения сопротивляемости отмечен при введении раствора углеродных нанотрубок, которые в полимере могут являться центрами кристаллизации (кривая 4). Этот эффект сопровождается повышением сопротивляемости на 5-10% по сравнению с воздействием кремнезоля (кривая 3). Однако наибольший эффект достигается в результате совместного введения в фенолоспирт дисперсий кремнезоля и углеродных нанотрубок. Объяснением этого синергетического эффекта является тот факт, что один из компонентов является полярным, а другой - неполярным. Вместе они обеспечивают создание прочной надежной структуры, повышающей прочность и сопротивляемость модифицированной древесины (кривая 5). При этом углеродные нанотрубки являются центрами образования новой более прочной полимерной фазы, способствующей длительно сопротивляться воздействующим факторам. Кроме того, они являются замечательным сорбентом, снижающим количество свободного фенола и формальдегида.
Положительным моментом использования комплексной добавки в модификаторе (фенолоспирте) является длительная эксплуатационная пригодность модифицированной древесины в полах животноводческих помещений. На рис. 3 представлены кривые изменения прочности модифицированной древесины при эксплуатации в полах животноводческих помещений. Известно, что натуральная древесина, находящаяся в полах животноводческих ферм крупного рогатого скота, выходит из строя в течение одного года, т.к. подвержена комплексу различных биологических, химических, температурных и механических воздействий. Модификация фенолоспиртом увеличивает срок службы полов в два-три раза, о чем свидетельствует кривая 2 на рис. 3. Модификация древесины фенолоспиртом с добавкой кремнезоля (кривая 3) повышает сопротивляемость древесины еще на 50-70%. Более весомый вклад в упрочнение древесины оказывает дисперсия УНТ (кривая 4). Совместная работа этих добавок (кремнезоль и УНТ) делают полы из древесины практически абсолютно стойкими в этих жестких условиях эксплуатации животноводческих помещений (кривая 5). Таким образом, введение комплексной добавки кремнезоля и углеродных нанотрубок способствует получения модифицированной древесины для полов животноводческих помещений, способной длительно сопротивляться биологическим, химическим, температурным и механическим воздействиям.
Способ получения модифицированной древесины, включающий предварительную сушку древесины, вакуумирование, пропитку заготовок, последующую сушку и термообработку, отличающийся тем, что пропитку осуществляют водной композицией, в которую входят, %:
| фенолоспирт | 84-90 |
| 30%-ная дисперсия кремнезоля | 8-12 |
| 3%-ный водный раствор углеродных нанотрубок | 2-4 |
