СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1996 года по МПК B27M1/08 B27K3/15 B27K5/06 C08F2/54 

Предлагаемое изобретение относится к области прикладной химии, в частности, к способам получения полимернаполненных изделий, используемых в машиностроении, строительстве, химической промышленности.

Получение и применение материалов с заданными свойствами в значительной степени определяют технический прогресс. Постоянно существует большая потребность в высокопрочных, коррозионностойких материалах, заменяющих дефицитные металлы и дорогостоящие древесные породы.

Конкурентноспособность и доступность полимернаполненной древесины и изделий из нее с высокими потребительскими характеристиками в значительной степени определяются способами обработки древесины, основанными на использовании мономеров.

Известны различные способы обработки древесины и древесных изделий. Их можно свести к двум основным группам: термокаталитические с добавками веществ, инициирующих полимеризацию, и основанные на воздействии физических полей, электромагнитных излучений.

Термокаталитические способы находят широкое применение. В их основе лежат радикальная и ионная полимеризации. При радикальной полимеризации процесс образования полимеров определяется инициированием свободных радикалов как за счет нагрева (термическая полимеризация), так и путем применения веществ, легко распадающихся с образованием свободных радикалов. Причем нагрев ускоряет образование свободных радикалов, увеличивая при этом скорость реакции полимеризации. Но присутствие отдельных примесей даже в ничтожных концентрациях прерывает образование свободных радикалов, тем самым прекращая или замедляя процесс полимеризации, что является недостатком методов радиальной полимеризации. Ионная полимеризация протекает в присутствии различных катализаторов (сильные кислоты или основания). Она позволяет регулировать реакции роста макромолекул и получать полимеры с заранее заданными свойствами (И.П.Лосев, Е.Б.Тростенская. Химия синтетических полимеров. М. Химия, 1964 г.).

Общим недостатком термокаталитических способов является введение дополнительных веществ в полимеризующуюся смесь, что может приводить к повышению токсичности смесей, усложнению решения проблемы теплоотвода из зоны реакции, что, в свою очередь, ведет к деструкции образующихся полимеров.

Отмеченные недостатки устраняют проведением полимеризации при воздействии электромагнитных полей, в частности при воздействии ультрафиолетовых лучей (фотополимеризация), при облучении α, b, g лучами, ускоренными электронами (радиационная полимеризация). Однако при фотополимеризации в большинстве случае необходим подогрев.

Радиационная полимеризация не требует применения дополнительного подогрева, использования инициаторов, тем самым не загрязняет реагирующую смесь вредными примесями (А.С.122219 Способ обработки древесины хвойных пород. Бюллетень N 17, 1959).

Однако применительно к гетерогенным системам необходимо излучение с большой проникающей способностью, т.е. g излучение, которое требует сложных мер защиты и приводит к экстремальному разогреву облучаемых объектов, испарению и утечке мономеров, к частичной деструкции образующихся полимеров, что снижает характеристики последних (А.Х.Брегер. Радиационно-химическая технология. Ее задачи и методы. М. Атомиздат, 1979 г. стр. 20-21).

Известен способ, уменьшающий указанные недостатки, при котором полимеризацию мономеров в гетерогенной системе ведут первоначально при большой мощности излучения, а затем облучают при меньшей мощности излучения (А.С. 442515е Способ обработки древесины хвойных пород. Бюллетень N 33, 1974 г. стр. 42). Недостатком данного способа, выбранного прототипом предлагаемого, являются сложность процесса проведения ступенчатого воздействия, необходимость в использовании ядерного реактора, недостаточная стабильность потребительских характеристик полимеров.

Технической задачей предполагаемого изобретения является упрощение процесса полимеризации, улучшение характеристик получаемых материалов, снижение энергозатрат на получение полимернаполненной древесины.

Решение задачи достигается тем, что воздействие на мономер или смесь мономеров ведут СВЧ-полем в две ступени, причем первую ступень осуществляют на частоте излучения от 20 до 150 ГГц при времени воздействия от 0,5 до 5 мин, а вторую ступень проводят на частоте от 0,3 до 15 ГГц в течение от 5 до 20 мин. В качестве мономера используют метилметакрилат и/или стирол при концентрации их в изделии от 25 до 60 мас. полимеризацию проводят в азотно-аргонной среде при содержании аргона от 0,5 до 10 мас. причем древесину располагают так, чтобы силовые линии электрического поля были направлены параллельно волокнам древесины. Обработку древесины СВЧ-полем проводят в постоянном магнитном поле, причем силовые линии магнитного поля направлены параллельно волокнам древесины при величине магнитного поля от 1,0 до 4,0 Э.

Применение СВЧ-излучения обусловливается несколькими факторами: нагревание реагирующей смеси электромагнитным полем СВЧ, механическое действие электрического поля на молекулы реагирующих веществ, возможность резонансного взаимодействия частоты собственных колебаний молекул полимера и/или мономера с частотой воздействующего поля. Сочетание этих факторов приводит к многостороннему воздействию СВЧ-поля на константу скорости реакции взаимодействия веществ, и следовательно к ее значительному увеличению при малых затратах энергии. В реакциях полимеризации такое воздействие приводит как к образованию свободных радикалов, так и ионов, что позволяет одновременно осуществлять процессы радикальной и ионной полимеризации, использовать преимущества обоих механизмов реакции. Это увеличивает выход готового продукта при простоте осуществления процесса полимеризации и малых энергозатратах.

Отмеченное можно проиллюстрировать следующим образом.

Пусть константа скорости реакции (К) описывается уравнением Аррениуса (Справочник химика. М. Химия, т. 3, 1964 г.) вида:

где Е энергия активации реакции,
T температура,
R универсальная газовая постоянная,
A предэкспоненциальный множитель, пропорциональный числу столкновений молекул.

Тогда при воздействии СВЧ-излучением на реагирующую смесь увеличивается температура вещества, снижается энергия активации в результате образования свободных радикалов и ионов из мономера, увеличивается множитель A в результате увеличения числа столкновений реагирующих молекул благодаря из поляризации сдвига и колебательного движения (Ф.Эме. Диэлектрические измерения, М. Химия, 1967 г. стр.21-24).

Известно, что коэффициент диэлектрических потерь, определяющий нагорев диэлектрика в СВЧ-поле, резко возрастает в области аномальной дисперсии ( в зависимости диэлектрической проницаемости от частоты) и достигает максимума при характеристической (критической) частоте. При этой частоте также максимальна поляризация сдвига. Критическая частота для мономеров стирола и метилметакрилата находится в диапазоне частот от 20,0 до 150,0 ГГц, а их полимерных молекул в зависимости от степени полимеризации в диапазоне от 0,3 до 15,0 ГГц. На указанных диапазонах частот соответственно проводят первую и вторую ступень воздействия.

При воздействии на частотах, близких к критической, для мономера в условиях резонансного воздействия происходит инициирование ионов и свободных радикалов, т.е. для возбуждения и продолжения полимеризации не требуется больших энергозатрат. Перестройка поля на частоты, характерные для образующихся полимеров с промежуточной молекулярной массой, обеспечивает продолжение полимеризации за счет образования ионов и свободных радикалов из этих полимеров. При этом полимеризация мономера идет достаточно энергично при более низкой температуре и его испарение не происходит.

Экспериментально установлено необходимое время воздействия на первой и второй ступени, соответственно от 0,5 до 5 мин и от 5 до 20 мин.

Перестройка частоты поля обеспечивается включением двух магнетронов поочередно, что в сравнении с радиационно-ступенчатым процессом на основе ядерного реактора существенно проще.

Благодаря колебательному движению молекул мономера и образующихся полимеров они более прочно удерживаются в порах и каналах пропитываемых древесных материалов. При этом также резко уменьшается испарение мономера и его десорбция.

Концентрация мономеров в древесине составляет от 25е до 60 мас.

Полимеризацию проводят под давлением 1,4-1,8 кг/см² в азотной среде или азото-аргонной при содержании аргона от 0,5 до 10 мас. что установлено экспериментально, так как в этих условиях ускоряется процесс полимеризации метилметакрилата.

Расположение древесины в магнитном поле (от 1,0 до 4,0 Э) при обеспечении параллельности силовых линий полей волокнам древесины ускоряет процесс обработки древесины, снижает потери мономеров.

Получаемый по данному способу древесно-полимерный материал из сосны, березы, липы и других мягких древесных пород содержит полимер, например метилметакрилата, от 25 до 60 мас. в зависимости от состояния и породы древесины.

Процесс получения таких материалов включает следующие операции: вакуумная сушка древесины, например приготовленного из нее паркета, вакуумная пропитка древесины мономером в инертной среде, ступенчатое воздействие на пропитанную мономером древесину СВЧ-полем в азото-аргонной среде при избыточном давлении 1,4-1,8 кг/см² и при параллельном расположении силовых линий воздействующих полей и волокон древесины.

Пример 1. По прототипу вакуумированный паркет из березы пропитывают метилметакрилатом до 50 мас. в среде азота, облучают ступенчато дозой 12.2 кДж/кг γ излучения в герметичном реакторе при давлении 1,6 кг/см² в среде азота. Время облучения 60 мин. Получают древесно-полимерный паркет с характеристиками, приведенными в таблице 1.

Пример 2. По предложенному способу ведут вакуумную сушку паркета из березы до остаточной влажности 8 мас. высушенную древесину пропитывают метилметакрилатом до 50 мас. в среде азота под давлением 1,6 кг/см², при температуре 20^oС, помещают в СВЧ-камеру, располагая древесину так, чтобы ее волокна были параллельны силовым линиям, и воздействуют вначале в течение 3 мин полем с частотой в диапазоне 20-150 ГГц, затем 15 мин в диапазоне 0,3-15,0 ГГц. Затраты энергии на 1 кг паркета составляют 17 Вт.

Пример 3. По предложенному способу ведут вакуумную сушку паркета из березы до остаточной влажности 10 мас. высушенную древесину пропитывают смесью (1: 1) метилметакрилата и стирола до 40% масс в азото-аргонной среде при давлении 1,6 кг/см² и температуре 20^oС, помещают в СВЧ-камеру, заполненную азотом с содержанием аргона 2% Ступенчато по примеру 2 воздействуют СВЧ-полем в постоянном магнитном поле 1.5 Э. Силовые линии полей расположены параллельно волокнам древесины. Затраты энергии на 1 кг паркета составляют 14 Вт. Время воздействия на первой ступени 1 мин, на второй 10 мин.

Характеристики исходной древесины и древесно-полимерного паркета, полученного по прототипу и по предложенному способу, приведены в таблице 1. ТТТ1

Использование: изобретение относится к методам обработки древесины. Сущность изобретения: древесину или изделия из нее пропитывают мономером и далее осуществляют его полимеризацию в две ступни. В процессе полимеризации на древесину воздействуют СВЧ полем, на первом этапе на частоте излучения от 20 до 150 ГГц при экспозиции от 0,5 до 5 мин, далее на частоте от 0,3 до 15 ГГц при экспозиции от 5 до 20 минут. В качестве мономера используют метилметакрилат и/или стирол при концентрации в изделии от 25 до 60 мас.%, а полимеризацию проводят в азотно-аргоновой среде, при расположении силовых линий электрического поля параллельно волокнам древесины. При этом, может использоваться постоянное магнитное поле с величиной от 1 до 4 Э, силовые линии которого так же параллельны волокнам древесины. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ обработки древесины и древесных изделий, включающий пропитку древесины мономером и последующую его полимеризацию под действием ступенчатого воздействия электромагнитным полем, отличающийся тем, что воздействие на мономер ведут СВЧ-полем в две ступени, причем в течение первой ступени воздействие осуществляют на частоте излучения от 20 до 150 ГГц при времени воздействия от 0,5 до 5 мин, а в течение второй ступени воздействие проводят на частоте от 0,3 до 15 ГГц в течение от 5 до 20 мин. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве мономера используют метилметакрилат и/или стирол при концентрации их в изделии от 25 до 60 мас. а полимеризацию проводят в азотно-аргонной среде при содержании аргона от 0,5 до 10 мас. причем древесину располагают так, чтобы силовые линии электрического поля были направлены параллельно волокнам древесины. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку древесины СВЧ-полем проводят в постоянном магнитном поле, причем силовые линии магнитного поля направляют параллельно волокнам древесины при величине магнитного поля от 1 до 4 Э.