СПОСОБ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ Российский патент 2006 года по МПК F26B3/347 B27K5/00 

Данное изобретение касается обработки древесины и конкретнее имеет отношение к способу микроволновой обработки древесины, в особенности сырой древесины, для быстрой сушки и снятия напряжений.

Обработка древесины за счет пропитки ее консервирующими и другими веществами, например для обеспечения огнестойкости, очень хорошо известна. Одной из проблем обработки пропиткой является необходимость гарантированно обеспечить полную или, по меньшей мере, достаточную пропитку древесины веществом.

Также известна подготовка древесины к пропитке за счет использования пара для подъема температуры и давления в древесине и разрушения некоторого количества древесных клеток (после быстрого понижения давления), таким образом улучшающая естественную проницаемость древесины. Современные технические требования пропарки для, например, кондиционирования кругляка новозеландской сосны рекомендуют применение пара при температуре 121°C и давлении 138 кПа в течение от 1,5 до 18 часов в зависимости от толщины древесины до момента быстрого снижения давления. Несмотря на то, что эта обработка действительно улучшает процесс пропитки, она имеет несколько недостатков, в особенности касающихся продолжительности обработки и необходимости применения пара высокого давления.

Также известен способ сушки лесоматериала и формирования древесных волокон посредством разрушения структуры древесины за счет использования микроволновой энергии. При сушке древесины за счет использования микроволновой энергии важно не повредить древесину, поэтому для различных сортов древесины были предложены специальные программы сушки. Во всех этих программах для предотвращения повреждения древесины интенсивность микроволнового излучения очень низка, ниже 5-10 Вт/см².

Разрушение древесины посредством микроволновой энергии для формирования древесных волокон осуществлено при значительно более высокой интенсивности излучения, например до 150 кВт/см² для нагревания влаги в древесине, для очень быстрого образования пара в количестве, достаточном, чтобы полностью разрушить структуру древесины.

В международной публикации WO 99/64213 описан способ, который включает в себя воздействие на древесину микроволнового излучения, вызывающего испарение воды в древесине и в результате возникновение в древесине такого внутреннего давления, что проницаемость древесины увеличивается за счет частичного или полного разрушения ткани клеток сердцевинного луча, размягчения и вытеснения древесной смолы, формирования радиально направленных проходов в древесине и/или за счет образования в основании разрушенных сердцевинных лучей полостей в древесине, причем упомянутые полости находятся, прежде всего, в радиально-продольных плоскостях древесины. Этот способ также предполагает, что модифицированная микроволнами древесина может иметь области различной проницаемости, которая может изменяться в радиальных, тангенциальных и продольных направлениях.

Применение этого способа для предварительной обработки перед сушкой может привести к снижению прочностных свойств лесоматериалов на 6-25%. По существу, в некоторых случаях это не приемлемо. Например, рабочая сторона паркетных досок должна иметь высокую твердость. После МВ (микроволновой) обработки, которая обсуждена в соответствии с вышеупомянутым предыдущим уровнем техники, эта поверхность может потерять твердость до такой степени, которая сделала бы ее неподходящей для использования в качестве открытой поверхности.

Во время МВ обработки пиломатериала большого поперечного сечения сердцевина нагревается быстрее, чем оболочка (при подаче МВ энергии к пиломатериалу со всех сторон). По существу, давление пара может быть высоким в сердцевине, но поверхностные слои все еще могут не иметь проходов в радиальных направлениях для выпуска паров, образованных в сердцевине. Эта ситуация приводит к появлению больших трещин в слоях оболочки пиломатериала, которые портят материал.

Рост и усадочные напряжения, которые имеют место в древесине, могут приводить к потерям пиломатериалов и могут также снизить качество материала. Например, во время сушки древесины усушка в тангенциальном направлении намного выше по сравнению с усушкой в радиальном направлении. Поэтому полученные после распиловки пиломатериалы могут иметь коробление (поперечную деформацию) после сушки.

Эти недостатки преимущественно устранены при применении способа микроволновой обработки в соответствии с данным изобретением.

Одной задачей настоящего изобретения является создание способа микроволновой обработки древесины с влагосодержанием (основанным на сухой массе), по меньшей мере, 12% для быстрой сушки и снятия напряжения, который включает в себя определение области древесины, которая не должна быть обработана, выборочное воздействие на поверхность древесины вне упомянутой определенной области микроволновым излучением, имеющим частоту (f) в диапазоне от приблизительно 0,1 до приблизительно 24 ГГц, для образования в древесине модифицированной зоны, имеющие увеличенную проницаемость по отношению к необработанной древесине, причем упомянутая зона расположена во внешней оболочке древесины и имеет сердцевинные лучи, направленные от сердцевины древесины к подвергнутой облучению поверхности.

Такая древесина обеспечивается также всякий раз, когда она обрабатывается согласно вышеописанному способу.

В одном варианте реализации изобретения множество зон, расположенных во внешней оболочке древесины, подвергают микроволновой обработке. Кроме того, если древесина является сравнительно толстой, то процесс может включать в себя дальнейший этап обработки сердцевинного объема древесины микроволновым излучением, предпочтительно имеющим более низкую частоту, чем примененное для обработки зоны или зон внешней оболочки. В случае применения двухэтапного процесса первоначально для обработки зон(ы) внешней оболочки древесины, а впоследствии для обработки сердцевинного объема вектор E напряженности электрического поля ориентирован преимущественно параллельно направлению волокон древесины при облучении зон(ы) внешней оболочки и в основном перпендикулярен направлению волокон древесины при облучении сердцевинного объема. Очевидно, что также могут быть применены дальнейшие стадии или шаги обработки в зависимости от толщины обрабатываемой древесины. В некоторых вариантах реализации древесину обрабатывают для получения чередующихся обработанных и необработанных зон во внешней оболочке древесины по длине древесины и поперек ширины и толщины древесины.

Областями, которые остаются необработанными, являются те, от которых требуется, или, по меньшей мере, желательно, чтобы они имели первоначальную твердость и/или прочность необработанной древесины. Например, для паркетных досок важно, чтобы открытая во время эксплуатации поверхность была необработанной. Для случаев другого применения, когда к конечному продукту будет прикладываться вертикальная нагрузка, может подойти только обработка центральных областей, расположенных вдоль продольных граней пиломатериала.

Обработка предпочтительно включает в себя применение микроволнового излучения с интенсивностью мощности (p) от приблизительно 10 Вт/см² до приблизительно 100 кВт/см² при продолжительности от приблизительно 0,05 до приблизительно 600 секунд для испарения воды в зоне(ах) внешней оболочки древесины, вызывая возникновение такого внутреннего давления в зоне(ах) древесины, что зоны становятся модифицированными.

Микроволновая обработка в соответствии с настоящим изобретением модифицирует зоны внешней оболочки древесины обычно за счет испарения воды, содержавшейся в древесине для создания внутреннего давления и температуры более чем 100°C, результатом чего является изменение структуры древесины за счет разрушения любой одной или более клеток сердцевинного луча древесины, размягчения и обеспечения подвижности смолы в древесине и замещения ее по меньшей мере частично открытыми порами, и созданием тонких радиальных трещин, образуемых полостями, расположенными в основном в радиально-продольных плоскостях. В течение процесса согласно данному изобретению не может быть осуществлена никакая значительная сушка древесины. Настоящее изобретение может упростить поточную обработку древесины для быстрой сушки. То есть тонкие радиальные трещины или полости могут обеспечить более быструю последовательную обработку сушкой по сравнению со способами сушки, традиционно используемыми без обработки в соответствии с данным изобретением. Например, в твердых породах дерева (то есть огнестойкая древесина), например в эвкалипте, могут возникать внутренние растрескивания и разрушения из-за быстрой сушки без предшествующей обработки в соответствии с данным изобретением вследствие избыточного подъема давления внутри древесины.

Микроволновая обработка в соответствии с данным изобретением ни в коем случае не ограничена воздействием на древесину микроволновым излучением с единственной частотой или интенсивностью мощности. Способ может включать в себя, например, воздействие на древесину микроволновым излучением с различными частотами и интенсивностями мощности в пределах одного процесса обработки. Предпочтительно интенсивность мощности, независимо от того, используется ли единственная интенсивность мощности или множество различных интенсивностей мощности, поддерживается не меньше чем 10 Вт/см². В предпочтительном варианте реализации, тем не менее, интенсивность мощности поддерживается более 10 Вт/см².

При микроволновой обработке в соответствии с настоящим изобретением для обработки древесины могут использоваться энергетические импульсы заданной продолжительности и разделенные установленными интервалами времени. Альтернативно микроволновое излучение может быть направлено на часть или части обрабатываемой древесины. Если необходимо обработать множество зон внешней оболочки, то они выбираются определенным способом, принимая во внимание в основном предполагаемое использование конечного продукта, то есть в зависимости от требуемой упругости, прочности, проницаемости и других заданных характеристик продукта.

Способ в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно применяется для обработки сырой древесины. Здесь и везде по всему описанию термин "сырая древесина" используется для общего обозначения древесины, которая является "зеленой" после пиления, что являлось бы очевидным любому, имеющему соответствующую квалификацию в данной области техники. Количество воды, присутствующей в сырой древесине, конечно, меняется в зависимости от породы растения, но предполагается, что сырая древесина будет, как правило, иметь влагосодержание в диапазоне приблизительно от 30% до приблизительно 200%, основываясь на сухой массе древесины. Способ согласно настоящему изобретению также применим для обработки древесины, имеющей более низкое влагосодержание, например от 12 до 30%.

Древесина способна к поглощению очень большого количества микроволновой энергии. Микроволновая энергия заставляет воду в клетках древесины нагреваться и кипеть, создавая давление пара в клетках, которое приводит к разрушению стенок клетки. Клетки сердцевинного луча имеют более тонкие стенки, чем клетки основных древесных тканей (трахеиды, либриформы), и клетки сердцевинного луча разрушаются микроволновой энергией раньше, чем клетки основной древесной ткани. Разрушенные клетки сердцевинного луча образуют в радиальном направлении проходы, обеспечивающие легкое прохождение жидкостей и паров внутри от внешней поверхности. Клетки сердцевинного луча составляют приблизительно от 5% до приблизительно 35% объема древесины, так что их разрушение может существенно увеличить проницаемость древесины.

Обработка преимущественно приводит к разрушению клеток сердцевинного луча в выбранной зоне(ах), в то же время в основном сохраняя полную целостность древесины. То есть разрушение клеток сердцевинного луча может произойти без существенного разрушения клеток основных древесных тканей (обычно называемых волокнами или слоями древесины).

Как указано выше, увеличение интенсивности микроволновой энергии, подаваемой на древесину, увеличивает давление пара в ней до предела объема сердцевинного луча, так что стенки трахеид (либриформ) начинают разрываться. Предел прочности древесины на разрыв в два-три раза меньше в направлении по касательной, чем в радиальном направлении, и при увеличенном внутреннем давлении, например, вследствие увеличенной интенсивности микроволновой энергии, древесина в зоне(ах) обработки может быть разрушена вдоль основных древесных тканей. Это приводит к трещинам, которые распространяются в радиально-продольных плоскостях. Кроме того, поскольку предел прочности древесины в направлении по касательной сниженный, при увеличении температуры (и давления) трещины в древесине могут быть образованы при сравнительно низких давлениях.

Любая смола в зонах древесины, подвергнутая микроволновой энергии, размягчается перед плавлением и кипением. Давление пара в древесине заставляет размягченную смолу выдавливаться из сердцевинных лучей, оставляя поры или полости в зонах модифицированной древесины. Это является особенно эффективным способом увеличения проницаемости древесины, имеющей значительные количества смолы.

Обработанные микроволновым излучением зоны древесины могут иметь три степени модификации:

"низкая степень", включающая в себя разрыв мембран древесных клеток пор, плавление и замещение смолы в каналах, частичный разрыв клеток сердцевинного луча,

"умеренная степень", включающая в себя разрыв мембран древесных клеток пор, кипение и замещение смолы, разрушение тилозы (в твердых породах древесины) и разрыв клеток сердцевинного луча,

"высокая степень", включающая в себя разрыв мембран древесных клеток пор, кипение и замещение смолы, разрушение тилозы (в твердых породах древесины), разрыв клеток сердцевинного луча, разрыв стенок и оболочек основных клеток (трахеид либриформ) и образование полостей, находящихся прежде всего в радиально-продольных плоскостях.

Низкая, умеренная или высокая степень модификации древесины может использоваться для снятия напряжений и предварительной обработки перед сушкой в зависимости от применяемых к продукту требований.

Настоящее изобретение по существу сохраняет целостность или общую структуру древесины, но обеспечивает увеличенную проницаемость в обработанных зонах, что может улучшить последующие обработки, особенно быструю сушку древесины. Диапазон частот микроволнового излучения, подходящих для обработки древесины, ограничен приблизительно от 0,1 ГГц до приблизительно 24 ГГц. При частоте меньше, чем приблизительно 0,1 ГГц, невозможно образовать в древесине энергию, достаточную для разрушения стенки клетки, потому что при требуемой удельной мощности имеет место электрический пробой (сквозное замыкание) и древесина обугливается. При частоте более чем приблизительно 24 ГГц глубина проникновения микроволн в сырой древесине может быть меньше, чем приблизительно 10-15 мм. Это вообще не позволит достаточного для обеспечения желательного эффекта распространения энергии (температуры). Кроме того, если желательно обработать зоны внешней оболочки древесины, то применяется частота в основном от 2,4 до 24 ГГц, тогда как для обработки сердцевины применяется частота от 0,1 до 1,0 ГГц.

Требуемая интенсивность мощности будет изменяться совместно с выбранной частотой микроволнового излучения. При частоте приблизительно 24 ГГц достаточна интенсивность микроволнового излучения приблизительно 10 Вт/см². Однако при частоте микроволнового излучения от приблизительно 0,1 ГГц до 100 кВт/см², предпочтительно до 50 кВт/см², а более предпочтительно до 12 кВт/см² может требоваться для быстрого нагревания и разрушения древесных клеток. Предпочтительные диапазоны частоты (f) микроволнового излучения и интенсивности мощности (p) находятся приблизительно от f=0,4 ГГц и p=12 кВт/см² до приблизительно f=10 ГГц и p=0,48 кВт/см², более предпочтительно от приблизительно f=1 ГГц и p=6 кВт/см² до приблизительно f=6 ГГц и p=1,0 кВт/см².

Продолжительность микроволновой обработки в пределах определенных диапазонов частоты и интенсивности мощности находится предпочтительно в диапазоне от 0,05 до 600 секунд, более предпочтительно от 0,1 до 600 секунд и, в общем, будет меньше, чем 250 секунд, предпочтительно меньше, чем 100 секунд, более предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 20 секунд. Минимальная продолжительность микроволновой обработки для увеличения проницаемости древесины определена мощностью использованного микроволнового генератора(ов). Максимальная мощность генератора, применяемого в лесной промышленности, в основном составляет 500 кВт. Эксперименты показали, что самое высокое избыточное давление в древесине для образования радиально-продольных трещин должно быть приблизительно 400 кРа, и с практической точки зрения трудно обеспечить условия для увеличения проницаемости древесины в течение периода меньше, чем 0,05 секунд. Микроволновая обработка древесины дольше 600 секунд вряд ли обеспечит древесину хорошего качества для дальнейшей обработки, но более длинные периоды могут использоваться в комбинации с очень низкой частотой и интенсивностью мощности микроволнового излучения. Тем не менее, с коммерческой точки зрения такие длительные периоды будут обычно неприемлемы.

Для достижения модификации древесины (например, улучшения проницаемости) в различных зонах древесины имеет преимущество использование микроволнового излучения различных частот. Например, если лесоматериал имеет профиль 100x100 мм, микроволновая модификация может быть достигнута при использовании частоты 2,4 ГГц. Древесина может последовательно быть модифицирована до глубины 20 мм, на которой модификация клеток сердцевинного луча ограничена. Если применяется частота 0,915 ГГц, модификация центральной зоны древесины может быть произведена за счет модификации или разрушения клеток сердцевинного луча и формирования множества полостей в радиально-продольных плоскостях.

Максимальное поглощение микроволновой энергии древесными клетками обеспечивается, если вектор E напряженности электрического поля ориентирован параллельно длине клетки. Лучи в основном выровнены в радиальном направлении (перпендикулярно к основным древесным тканям (трахеидам, либриформам)) так, что клетки сердцевинного луча будут максимально поглощать микроволновую энергию, когда вектор E ориентирован в радиальном направлении. При ориентации вектора E параллельно сердцевинным лучам и перпендикулярно основным древесным тканям клетки сердцевинного луча нагреются быстрее, чем другие ткани древесины, и поглотят больше энергии, которая обеспечит разрушение клеток сердцевинного луча без разрушения основных древесных тканей. Данный процесс может также обеспечить снижение расхода энергии.

Диэлектрические свойства древесины зависят от ориентации вектора E относительно направления волокон основных древесных тканей. Коэффициент диэлектрических потерь сырой древесины при ориентации вектора E параллельно основным древесным тканям имеет величину приблизительно в 1,6-2,2 раза выше, чем при ориентации вектора E перпендикулярно тканям. Кроме того, глубина проникновения микроволнового излучения уменьшается приблизительно в 1,5-2 раза при изменении ориентации вектора E с перпендикулярной к основным древесным тканям на параллельную к тканям, и соответственно увеличивается поглотительная способность древесины. Таким образом, эффективность воздействия микроволновой энергии на древесину может контролироваться изменением ориентации вектора E между предпочтительным направлением, перпендикулярным к древесным тканям, и направлением, параллельным древесным тканям.

Использование микроволновой энергии для увеличения проницаемости наиболее эффективно при увеличенной температуре, и способ согласно данному изобретению преимущественно реализуется при температуре древесины приблизительно от 80°C до приблизительно 110°C, предпочтительно от приблизительно 90°C до приблизительно 100°C. Древесина может быть нагрета любыми подходящими способами, например конвекционным, контактным или электропроводящим. Преимущественно древесина нагрета посредством микроволновой энергии, например в диапазоне частот от приблизительно 0,1 ГГц до приблизительно 24 ГГц, с интенсивностью мощности от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 Вт/см². Предварительный подогрев микроволновым излучением может быть проведен в течение любого подходящего периода, например, от приблизительно 20 до приблизительно 600 секунд.

Для увеличения эффекта выборочного влияния микроволновой энергии на разрушение клетки сердцевинного луча или размягчение смолы может быть целесообразным при температурах древесины выше приблизительно 100°C использование энергетических импульсов с высокой плотностью энергии. Это может помочь избежать перегрева ствола дерева.

Во время обработки микроволновым излучением высокой интенсивности поверхность древесины может быть перегрета и обуглена. Для уменьшения вероятности этого желательно охладить поверхность за счет применения обдува газом или воздухом, предпочтительно при скоростях не менее чем 1 м/с, более предпочтительно не менее, чем 2 м/с. Применение обдува поверхности древесины газом или воздухом может также быть полезным для удаления паров, пыли и влаги из зоны облучения и также поможет избежать конденсации влаги в микроволновом аппликаторе.

Может быть совершенно просто отмечено увеличение проницаемости обработанных зон материала на древесной основе по сравнению с необработанной древесиной. В материале на древесной основе, произведенном в соответствии с настоящим изобретением, сохраняется целостность необработанной древесины. Кроме того, как указано выше, в материале на древесной основе полностью отсутствует существенное разрушение клеток основной древесной ткани. Тем не менее, в общем, будет иметь место ухудшение механических свойств обработанных зон материала на древесной основе по сравнению с таковыми необработанных областей древесины. В частности, может ожидаться, что обработанные зоны материала на древесной основе по сравнению с необработанной древесиной будут иметь уменьшенный модуль упругости (МОЕ) и уменьшенный модуль разрыва (MOR).

Очень важное применение этого способа касается его использования для снижения напряжений роста в древесине. То есть настоящий способ может также использоваться для снижения напряжений роста в бревнах или пиломатериале. В этом случае зоны (выбранные области) с высокими напряжениями роста в поперечном сечении и по длине бревна могут быть обработаны микроволновым излучением в один, два или больше этапа при различных интенсивностях и частотах. Снятие напряжений роста в бревнах выгодно улучшает качество и восстанавливает форму лесоматериала. Эксперименты со сваями из эвкалипта показали, что микроволновая обработка может предотвратить расщепление свай и поддержать их целостность.

Данное изобретение является подходящим для кругляка, пиломатериалов, балок и других лесоматериалов и заготовок различных форм. Способ модификации древесины может быть применен перед любой сушкой древесины. Способ является подходящим для любых пород дерева, но особенно подходит для сушки твердых пород с большим объемом клеток сердцевинного луча, таких как Английский дуб или Эвкалипт «Messmate».

Варианты реализации данного изобретения дополнительно описаны ниже посредством примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематический вид устройства для осуществления способа в соответствии с изобретением для увеличения проницаемости древесины одной стороны доски;

Фиг. 2 - схематический вид устройства для осуществления способа в соответствии с изобретением для увеличения проницаемости древесины двух сторон доски,

Фиг. ЗА и 3B - схематический вид устройства для осуществления способа в соответствии с изобретением для модификации древесины в два этапа.

На Фиг. 1 изображено устройство 10, включающее в себя туннель 12, соединенный с волноводом 14, открытым в туннеле 12 для подачи микроволнового излучения. Волновод 16 также соединен с туннелем 12 и содержит короткозамыкающий поршень 18 для управления отражением микроволнового излучения. Деревянная доска 22 проходит через туннель 12 на конвейерной ленте 20. Пунктирная линия отмечает зону модифицированной древесины, имеющей высокую проницаемость после обработки.

Доска 22 подается конвейерной лентой по туннелю 12 с заданной скоростью для обеспечения желательного для обработки времени нахождения напротив волновода 14. Волновод 14 направляет микроволновое излучение перпендикулярно длине доски, как показано стрелкой 26. Вектор E электрической напряженности ориентирован параллельно длине доски и древесным волокнам. Поршень 18 может быть перемещен в волноводе 16 для изменения распределения микроволновой энергии в поперечном сечении доски.

На Фиг. 2 изображено устройство 28, включающее в себя туннель 30, в котором установлены четыре волноводных излучателя 32 для подачи микроволнового излучения в туннель, как показано стрелками 34. Конвейерная лента 36 перемещает доску 38 по туннелю 30. Пунктирные линии отмечают зоны 40 модифицированной древесины, имеющей высокую проницаемость после обработки.

Доска 38 подается конвейерной лентой по туннелю 30 с заданной скоростью для обеспечения желательного для обработки времени нахождения напротив волноводных излучателей 32. Четыре излучателя 32 направляют микроволновое излучение перпендикулярно длине доски 38. Вектор E электрической напряженности ориентирован перпендикулярно длине доски и волокнам древесины.

На Фиг. 3 изображено устройство 42, включающее в себя туннель 44, соединенный с волноводами 46 и 58, открытыми в туннель 44 для подачи микроволнового излучения. Волновод 60 также соединен с туннелем 44 и содержит в себе короткозамыкающий поршень 62 для управления отражением микроволнового излучения. Пиломатериал 50 размещен на конвейерной ленте 48. Пунктирные линии обозначают зоны 52 и 64 модифицированной древесины, имеющей высокую проницаемость после обработки.

Пиломатериал 50 подается конвейерной лентой по туннелю 44 с заданной скоростью для обеспечения желательного для обработки времени нахождения напротив волноводов 46 и 56. Волноводы 46 и 56 направляют микроволновое излучение перпендикулярно длине колоды, как показано стрелками 54 и 56. Вектор E напряженности электрического поля ориентирован перпендикулярно длине колоды и волокнам древесины в волноводах 46 и 58. Поршень 62 может быть перемещен в волноводе 60 для изменения распределения микроволновой энергии в поперечном сечении древесины.

Изобретение описано ниже более подробно со ссылками на следующие примеры, которые являются только иллюстрирующими настоящее изобретение и которые ни в коем случае его не ограничивают.

ПРИМЕР 1

Этот пример касается предварительной микроволновой обработки паркетных досок из Мессмэйта с поперечным сечением 25x92 мм для быстрой последующей сушки в конвекционной сушильной печи. Одна сторона досок должна иметь высокую твердость и минимум дефектов сушки в поверхностных слоях. Изначальное влагосодержание в древесине было 90%.

Для предварительной обработки доску размещают на конвейерной ленте 20, как показано на Фиг. 1, и перемещают по туннелю 12. Микроволновая энергия направлялась к древесине через волновод 14, как показано стрелками 26. Параметры процесса: частота микроволнового излучения - 0,922 ГГц, ориентация вектора E напряженности электрического поля - параллельно направлению древесных волокон, средняя интенсивность мощности 280 Вт/см², скорость конвейера - 6,3 мм/с.

Было применено микроволновое излучение, необходимое для испарения воды, содержащейся в зоне внешней оболочки древесины, и создания внутреннего давления и температуры более чем 100°С в той зоне древесины, в результате чего модифицировалась структура древесины за счет разрушения ткани клетки сердцевинного луча и образования проходов в радиальных направлениях для выпуска жидкостей и паров. Таким образом, образовалось большое количество расположенных в основном в радиально-продольных плоскостях древесины полостей в основании разрушенных сердцевинных лучей. Такая модификация древесины увеличивает проницаемость в зоне 24 доски 22 по Фиг. 1. Водяной пар был удален из туннеля 12 воздушным потоком.

После обработки глубина модифицированной зоны с увеличенной проницаемостью (отмеченной пунктиром в Фиг. 1) была 13-16 мм, влагосодержание в древесине снижено до 75%. Последующая сушка предварительно обработанной микроволновым излучением доски в конвекционной сушильной печи была в 5 раз быстрее по сравнению с сушкой немодифицированной древесины. "Рабочая сторона" доски сохраняет высокую твердость поверхности.

Тот же самый процесс может использоваться при предварительной обработке для снижения усадочных напряжений в пиломатериале после сушки. Микроволновая модификация внешней оболочки доски значительно уменьшает коробление доски (поперечную деформацию).

ПРИМЕР 2

Этот пример касается предварительной микроволновой обработки досок из Мессмэйта с поперечным сечением 45x120 мм для последующей сушки в конвекционной сушильной печи. Доски, на которые прикладывается вертикальная нагрузка, должны иметь минимальные потери прочности на изгиб. Может быть модифицирована только центральная область бруса. Начальное влагосодержание в древесине было 90%.

Для предварительной микроволновой обработки доска была помещена на конвейерной ленте 36, как показано на Фиг. 2, и проходила по туннелю 30. Микроволновая энергия была подана к пиломатериалу через четыре волноводных излучателя 32, как показано стрелками 34. Параметры процесса: частота микроволнового излучения - 2,45 ГГц, ориентация вектора E напряженности электрического поля - перпендикулярно направлению волокон древесины, средняя интенсивность мощности в каждом волноводе - 970 Вт/см², скорость конвейера - 2,5 мм/с. Было применено микроволновое излучение, необходимое для испарения воды, содержащейся в зонах внешней оболочки древесины, и создания внутреннего давления в этих зонах древесины, в результате чего модифицировалась структура древесины за счет разрушения ткани клетки сердцевинного луча и образования проходов в радиальных направлениях для выпуска жидкостей и паров. Таким образом образовалось большое количество расположенных в основном в радиально-продольных плоскостях древесины полостей в основании разрушенных сердцевинных лучей. Эта модификация древесины увеличила проницаемость в зонах 40 доски 38 по Фиг. 2. Водяной пар был удален из туннеля 30 воздушным потоком.

После обработки глубина модифицированных зон 40 с увеличенной проницаемостью (отмеченных пунктиром в Фиг. 2) была 13-15 мм, а влагосодержание в древесине снижено до 70%. Последующая сушка предварительно обработанной микроволновым излучением доски в конвекционной сушильной печи была в 10 раз быстрее по сравнению с сушкой немодифицированной древесины того же самого поперечного сечения.

ПРИМЕР 3

Этот пример касается предварительной микроволновой обработки бруса из Мессмэйта с поперечным сечением 90x90 мм для быстрой последующей сушки в конвекционной сушильной печи. Брус, на который прикладывается вертикальная нагрузка, должен иметь минимальные потери прочности на изгиб. Начальное влагосодержание в древесине было 90%.

Для предварительной микроволновой обработки брус был помещен на конвейерную ленту 48, как показано на Фиг. 3, и перемещался по туннелю 44. Микроволновая энергия была подана к пиломатериалу через волноводные излучатели 46 и 58, как показано стрелками 54 и 56.

Параметры процесса первого этапа обработки (Фиг. ЗА) с волноводами 54: частота микроволнового излучения, обеспечиваемого волноводами 54 - 2,45 ГГц, ориентация вектора E напряженности электрического поля в волноводах 54 - перпендикулярно направлению древесных волокон, средняя интенсивность мощности 2,900 Вт/см², скорость конвейера 7 мм/с.

Параметры процесса второго этапа обработки (Фиг. 3B) с волноводом 58: частота микроволнового излучения, обеспечиваемого волноводом 58, 0,922 ГГц, ориентация вектора E напряженности электрического поля в волноводах 58 - перпендикулярно направлению древесных волокон, средняя интенсивность мощности 250 Вт/см², скорость конвейера та же самая - 7 мм/с.

Вслед за микроволновым облучением, необходимым для испарения воды, содержавшейся в зонах во внешней оболочке древесины, применялось облучение для испарения воды, содержавшейся в центральной зоне древесины, и для создания внутреннего давления в соответствующих зонах древесины, результатом чего являлась модификация структуры древесины за счет разрушения ткани клетки сердцевинного луча и образования проходов в радиальных направлениях для выпуска жидкостей и паров. Таким образом образовалось большое количество расположенных в основном в радиально-продольных плоскостях древесины полостей в основании разрушенных сердцевинных лучей. Эта модификация древесины увеличила проницаемость в зонах 52 и 64 бруса 50 по Фиг. 3. Водяной пар был удален из туннеля 44 воздушным потоком.

Первоначально конвейер перемещает брус вдоль волноводных излучателей 54 с высокой частотой - 2,45 ГГц (первый этап обработки). После этой обработки глубина модифицированных зон 52 с увеличенной проницаемостью (отмеченных пунктирами в Фиг. 3) была 20-25 мм. Затем брус проходит волноводный излучатель 56 с более низкой частотой - 0,922 ГГц. В течение этого второго этапа обработки микроволновая энергия концентрировалась в сердцевине древесины. Древесина была модифицирована в центральной зоне 64. Выход пара от зоны 64 через ранее модифицированные зоны 52 был облегчен. Преимущество обработки за два описанных этапа состоит в предотвращении образования больших трещин в древесине во время обработки. Влагосодержание в древесине после этих двух этапов микроволнового облучения было снижено до 60%.

Последующая сушка предварительно обработанного микроволновым излучением бруса в конвекционной сушильной печи была в 40 раз быстрее по сравнению с сушкой немодифицированной древесины, имеющей то же самое поперечное сечение.

Везде в этом подробном описании и следующей далее формуле изобретения, если контекст не требует другого, термин "включает в себя" или его вариации, такие как "включают в себя" или "включающий в себя", будут подразумеваться означающими вложение описанного целого элемента или группы целых элементов, но не исключение любого другого целого элемента или группы целых элементов.

Любая ссылка в этом подробном описании на предыдущий уровень техники не является и не должна быть понята как подтверждение или какая-либо форма предположения, что предыдущий уровень техники образует часть неспециальной общей науки в Австралии.

Специалистам, имеющим соответствующую квалификацию в данной области техники, будет ясно, что описанное здесь изобретение допускает другие разновидности и модификации помимо конкретно описанных. Должно быть понятно, что данное изобретение включает в себя все такие разновидности и модификации, которые попадают в пределы его задач и области действия. Данное изобретение также включает в себя все этапы, характеристики, структуры и составы, упомянутые или обозначенные в этом подробном описании, отдельно или вместе взятые, а также любые и все комбинации из любых двух или более упомянутых этапов или характеристик.

Данное изобретение касается обработки древесины, а именно микроволновой обработки древесины. Способ микроволновой обработки древесины с влагосодержанием включает в себя определение области древесины, которая не должна быть обработанной, выборочное воздействие на поверхность древесины вне упомянутой определенной области микроволновым излучением с частотой в диапазоне от 0,1 до 24 ГГц для создания зоны с модифицированной древесиной, имеющей увеличенную проницаемость относительно необработанной древесины. Упомянутая зона расположена во внешней оболочке древесины, и сердцевинные лучи в ней направлены от сердцевины древесины к облученной поверхности. Данный способ позволяет повысить качество материала. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ микроволновой обработки древесины с влагосодержанием, основанном на сухой массе, по меньшей мере, 12%, для быстрой сушки и снятия напряжения, включающий в себя определение области древесины, которая не должна быть обработанной, выборочное воздействие на поверхность древесины вне упомянутой определенной области микроволновым излучением с частотой (f) в диапазоне от 0,1 до 24 ГГц для создания зоны с модифицированной древесиной, имеющей увеличенную проницаемость относительно необработанной древесины, причем упомянутая зона расположена во внешней оболочке древесины и сердцевинные лучи в ней направлены от сердцевины древесины к облученной поверхности.2. Способ по п.1, в котором микроволновая обработка вызывает в зонах одно или более из изменений низкой степени, включающих в себя разрыв мембран древесных клеток пор, плавление и замещение смолы в каналах и частично разрушенных клеток сердцевинного луча, изменений умеренной степени, включающих в себя разрыв мембран древесных клеток пор, кипение и замещение смолы, разрушение тилозы в твердых породах древесины и разрушение клеток сердцевинного луча, изменений высокой степени, включающих в себя разрыв мембран древесных клеток пор, кипение и замещение смолы, разрушение тилозы в твердых породах древесины, разрушение клеток сердцевинного луча, разрыв стенок и оболочек основных клеток (трахеид, либриформ) и образование полостей, расположенных прежде всего в радиально-продольных плоскостях древесины.3. Способ по п.1, в котором действию микроволновой обработки подвергают множество зон, расположенных во внешней оболочке древесины.4. Способ по п.1, включающий в себя дополнительный этап обработки сердцевинного объема древесины микроволновым излучением.5. Способ по п.4, в котором микроволновое излучение имеет более низкую частоту, чем частота, использованная для обработки зоны или зон внешней оболочки.6. Способ по п.4, в котором используют процесс с двумя этапами, сначала для обработки, по меньшей мере, одной зоны внешней оболочки древесины, а затем для обработки сердцевинного объема.7. Способ по п.4, в котором для обработки по меньшей мере одной зоны внешней оболочки используют частоту от 2,4 до 24 ГГц, а для обработки сердцевинного объема используют частоту от 0,1 до 1,0 ГГц.8. Способ по п.4, в котором вектор Е напряженности электрического поля ориентируют параллельно волокнам древесины при облучении по меньшей мере одной зоны внешней оболочки и в основном перпендикулярно волокнам древесины при облучении сердцевинного объема.9. Способ по п.1, в котором древесину обрабатывают для обеспечения создания чередующихся обработанных и необработанных зон во внешней оболочке древесины вдоль длины древесины и поперек ширины древесины.10. Способ по п.1, в котором микроволновое излучение с интенсивностью мощности (р) от 10 Вт/см² до 100 кВт/см² применяют к древесине в течение периода 0,05÷600 с для испарения воды в по меньшей мере одной зоне внешней оболочки древесины, результатом чего является возникновение такого внутреннего давления в по меньшей мере одной зоне древесины, что зоны модифицируются.11. Способ по п.1, в котором микроволновое излучение, примененное к внешней оболочке древесины, имеет частоту от 2,4 до 24 ГГц.12. Способ по п.1, в котором используют микроволновое излучение с частотой (f) и интенсивностью мощности (р) в диапазоне от f=0,4 ГГц и р=12 кВт/см² до f=10 ГГц и р=0,48 кВт/см².13. Способ по п.12, в котором используют микроволновое излучение с частотой (f) и интенсивностью мощности (р) в диапазоне от f=1 ГГц и р=6 кВт/см² до f=6 ГГц и р=1,0 кВт/см².14. Способ по п.1, в котором продолжительность микроволновой обработки в заданных пределах диапазонов частоты и интенсивности мощности составляет от 0,05 до 600 с.15. Способ по п.14, в котором продолжительность микроволновой обработки в заданных пределах диапазонов частоты и интенсивности мощности составляет от 0,1 до 600 с.16. Способ по п.14, в котором продолжительность микроволновой обработки составляет меньше чем 250 с.17. Способ по п.16, в котором продолжительность микроволновой обработки составляет меньше чем 100 с.18. Способ по п.17, в котором продолжительность микроволновой обработки составляет от 1 до 20 с.19. Способ по п.1, в котором ориентация вектора Е напряженности электрического поля изменена в течение обработки с параллельной к волокнам древесины на перпендикулярную волокнам древесины.20. Способ по п.1, который осуществляют при температуре древесины от 80°С до 110°С.21. Способ по п.20, который осуществляют при температуре древесины от 90°С до 100°С.22. Способ по п.20, в котором древесину нагревают посредством микроволновой энергии, предпочтительно имеющей частоту в диапазоне от 0,1 до 24 ГГц и интенсивность мощности от 0,1 до 10 Вт/см² в течение периода от 20 до 600 с.23. Способ по п.1, в котором в течение микроволновой обработки поверхность древесины охлаждают за счет использования потока газа или воздуха.24. Способ по п.23, в котором в течение микроволновой обработки поверхность древесины охлаждают за счет использования потока газа или воздуха при скоростях не менее 1 м/с.25. Способ по п.24, в котором в течение микроволновой обработки поверхность древесины охлаждают за счет использования потока газа или воздуха при скоростях не менее 2 м/с.26. Древесина, обработанная в соответствии со способом по п.1.