3996

2

УДК 674.04

Шамаев, В.А. Модификация древесины [Текст]: Методические указания для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения по направлению подготовки 250400 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств / В.А. Шамаев; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2013. - 41с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № 8 от 16 апреля2013 г.)

Рецензент директор ООО «Лигнум», к.т.н. И.Н. Медведев

3

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

3.9Применение модифицированной древесины, экология и техника безопасности ………………………………………………………………….. 36

3.10Примеры решения задач по курсу ……………………………………... 37 Библиографический список …………………………………………………. 41

4

Введение

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

В курсе «Модифицирование 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.

5

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-

6

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.

Общий объем курса по учебному плану 70 часов из них: 58 ч. – самостоятельное изучение; 6 ч. – 3 лекции;

6 ч. – лабораторных работ в период экзаменационной сессии. Примерное содержание установочных лекций и количество часов, от-

веденных 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 модифициро-

7

ванной древесины. Техника безопасности и охрана труда при модифицировании – 2 часа.

Содержание лабораторных работ определяется программой:

1.Одноосное прессование древесины – 2 часа.

2.Сушка под давлением в установке СПК-1 – 2 часа.

3.Пропитка в ультразвуковой установке – 2 часа.

Курс изучается путем:

а) самостоятельной проработки курса лекций и учебных пособий со-

гласно программе; б) установочных лекций во время сессионных занятий;

в) практических и лабораторных занятий.

Одновременно с самостоятельным изучением курса студент заочной формы обучения выполняет контрольную работу, в которой он должен представить решение задач с подробным объяснением.

Контрольная работа должна быть выслана в вуз заблаговременно.

В период очной сессии студент слушает лекции, выполняет лабораторные работы, сдает зачет по курсу.

3. Указания к отдельным главам курса

3.1 Введение

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

8

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.

9

3.2 Классификация 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

10

и олигомерами (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