Способ паротермической обработки древесины Российский патент 2025 года по МПК B27K3/02 F26B3/04 

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано для паротермической обработки древесины, древесных материалов, и лесоматериалов: досок, брусков, паркета, заготовок и изделий различной формы и пр.

Известен способ обработки древесины, включающий ее ступенчатое нагревание с последующим охлаждением (патент FR № 2786426A1, опубл. 25.01.2002). Процесс проводят по меньшей мере в течение стадии охлаждения при полном отсутствии кислорода, в атмосфере азота. Недостатком данного способа является обработка азотом, который не позволяет приобрести древесине некоторые полезные свойства, которые она могла бы иметь после обработки водяным паром.

Известен способ термической обработки древесины, включающий загрузку в камеру древесины, ее нагрев и охлаждение, в котором нагрев осуществляют путем подогрева древесины воздухом в камере со скоростью 30-45 °С/ч до температуры 130-165 °С с последующим воздействием на древесину водяным паром в течение 0,5-1,75 ч, после чего осуществляют подогрев образовавшейся парогазовой среды в камере со скоростью 4-8 °С/ч до температуры 160-200 °С, затем воздействуют на древесину водяным паром в течение 0,5-1,75 ч, после чего осуществляют подогрев парогазовой среды в камере со скоростью 4-8 °С/ч до температуры 160-200 °С и выдерживают древесину при этой температуре 2,5-6 ч, далее воздействуют на древесину водяным паром в течение 0,5-1,75 ч, после чего осуществляют подогрев парогазовой среды в камере со скоростью 4-8 °С/ч до температуры 160-200 °С, а через 1-3,5 ч воздействуют на древесину водяным паром в течение 0,5-1,75 ч, причем воздействие на древесину водяным паром проводят путем подачи в камеру водяного пара с температурой от 120 до 160 °С, а охлаждение осуществляют отводом парогазовой среды из камеры (патент RU № 2235636, опубл. 10.09.2004). Недостатками данного способа являются сложность процесса за счет многостадийности, а также большие энергозатраты.

Известен способ термической обработки древесины, включающий загрузку древесины в автоклав, ее нагрев и охлаждение, в котором нагревание древесины осуществляют до температуры 140-150 °С в атмосфере воздуха в течение 2-3 ч, после чего в атмосфере водяного пара до температуры 210-220 °С в течение 2-3 ч путем постоянного дозированного впрыска воды, затем нагревают до температуры 230-240 °С в течение 30-60 мин с последующим впрыском воды, а охлаждение осуществляют в атмосфере 100 % пересыщенного водяного пара путем регулируемого впрыска воды (патент RU № 2277045, опубл. 27.01.2006). Недостатком известного способа является то, что полученная в результате обработки древесина обладает резким запахом жженой древесины в течение длительного срока.

Известен способ производства термообработанной древесины, который предотвращает растрескивание, деформацию и коробление даже термообработанной древесины, имеющей большое поперечное сечение, и повышает стойкость к гниению, устойчивость к термитам и безопасность (патент JP № 2009172787A, опубл. 06.08.2009). Древесину влажностью 15 % и более и большим сечением выбирают из бревен диаметром 50 мм и более в сечении, брусьев с минимальной стороной сечения 50 мм и более, а также дощатых материалов с минимальной стороной поперечного сечения 50 мм или более. Первый этап сушки древесины до содержания влаги 12% или менее при поддержании температуры древесины на уровне от 50 до 130 °С с использованием по меньшей мере одного теплоносителя, выбранного из перегретого пара, микроволн и топочного масла; и сушку на первом этапе, втором этапе термообработки древесины в течение от 4 до 24 ч при поддержании температуры древесины на уровне от 180 до 250 °С с использованием по меньшей мере одного нагревательного агента, выбранного из перегретого пара и печного топлива. Недостатками известного способа являются расщепление, скручивание и коробление древесины из-за разной скорости усадки в продольном, радиальном и тангенциальном направлениях.

Известен способ термической обработки древесины, включающий загрузку древесины в автоклав, ее нагрев и охлаждение, в котором после загрузки осуществляют вакуумирование до 0,2 атм с последующей подачей водяного пара до давления в автоклаве 0,7-0,8 атм, а нагрев древесины ведут водяным паром при температуре 180-220 °С с последующей выдержкой в течение 2-5 ч, а охлаждение осуществляют не менее трех раз путем вакуумирования в течение 15-20 мин с последующей подачей насыщенного водяного пара до значения давления в автоклаве, близкого к атмосферному, и выдержкой при этом давлении в течение 5-10 мин (патент RU № 2453425, опубл. 20.06.2012). Недостатками известного способа являются низкая скорость нагревания древесины, тепловая инерционность, тепловые потери.

Известен наиболее близкий к заявляемому способ термической обработки древесины, который включает следующие стадии: a) размещение партии обрабатываемой древесины в камере обработки, b) смена атмосферы внутри камеры обработки путем откачивания воздуха, замены откачанного воздуха на атмосферу инертного газа в газообразном состоянии при давлении 0,8-1,2 МПа, c) нагревание атмосферы инертного газа до 165-175 °С, d) повышение давления в атмосфере инертного газа до 1,4-1,6 МПа, e) сохранение температуры на стадии с) и давления на стадии d) в течение 90-150 мин, f) охлаждение атмосферы инертного газа до температуры 20-35 °С, g) извлечение партии обработанной древесины (патент RU № 2735769, опубл. 06.11.2020). Недостатком известного способа является обработка азотом, который не позволяет приобрести древесине некоторые полезные свойства, которые она могла бы иметь после обработки водяным паром.

Целью настоящего изобретения, является разработка способа паротермической обработки древесины, улучшает эксплуатационные характеристики древесины, которая предотвращает растрескивание, деформацию и коробление древесины, а также в разы повышает стойкость к гниению, устойчивость к воздействию многих грибков, микроорганизмам и термитам.

Существующие методы термообработки древесины выполняются с использованием древесины, высушенной до содержания влаги примерно от 6 до 15 %, для снятия внутренних напряжений, которые в последствии исключают внутренние трещины и коробление, которые могут возникнуть во время термообработки.

Поставленная цель достигается тем, что используются ряд воздействий, контролируемых автоматикой, контрольные точки выбраны в следующем порядке:

1. Низкотемпературная стадия процесса - обработка, происходит при температуре 60-100 °С. Дерево теряет свободную воду, влажность снижается. Продолжительность фазы обработки зависит от изначального содержания влаги в древесине, породы дерева, а также толщины заготовки, и заключается в следующих этапах:

- Нагрев воздушной среды со скоростью 5-8 °С/ч до температуры 60-65 °С. После достижение заданной температуры происходит выход «на плато» продолжительностью 15-40 мин, данный процесс выравнивает влажность древесины и предотвращает растрескивание, деформацию и коробление древесины.

- Нагрев воздушной среды со скоростью 3-5 °С/ч до температуры 95-100 °С. Выход «на плато» продолжительностью 10-30 мин, для удаления экстрактивных веществ: терпены, воски, фенолы и жиры, выделившихся в процессе нагревания.

Подается водяной пар в течение 90-150 мин и образуется избыточное давление.

2. Обработка древесины производится при повышенных температурах при полном отсутствии воздуха, но в присутствии пересыщенного водяного пара высоких температур, получаемого в результате контролируемого впрыска пара на определенных этапах цикла обработки, и заключается в следующих этапах:

- Нагрев парогазовой среды в камере до 160-170 °С с градиентом температуры 3-8 °С/ч. Создается инертная среда обработки из 100 % пересыщенного водяного пара, нагнетаемого под избыточным давлением 0,8 атм, что приводит к полному вытеснению воздуха из камеры обработки. Давление поддерживается на уровне 0,4-0,8 атм путем сброса давления. Выход «на плато» сопровождается сбросом давления продолжительностью 20-30 мин, при котором удаляются уксусная, муравьиная и пропионовая кислоты, формальдегиды, фурфурол и скипидар.

- Подогрев парогазовой среды в камере с градиентом температуры 5-8 °С/ч до температуры 180-190 °С. Создается инертная среда обработки из 100 % пересыщенного водяного пара, нагнетаемого под избыточным давлением 0,8 атм, что приводит к полному вытеснению воздуха из камеры обработки. Давление поддерживается на уровне 0,4-0,8 атм путем сброса давления. Выход «на плато» сопровождается сбросом давления продолжительностью 40-60 мин, при котором начинается гидролиз целлюлозы, увеличивается кристалличность целлюлозы из-за разложения аморфной целлюлозы, в результате чего снижается доступность гидроксильных групп к молекулам воды, что способствует снижению равновесной влажности и, как следствие, способность древесины изменять геометрические размеры на 2-15 %.

- Подогрев парогазовой среды в камере с градиентом температуры 3-5 °С/ч до температуры 200-240 °С. Создается инертная среда обработки из 100 % пересыщенного водяного пара, нагнетаемого под избыточным давлением 0,8 атм, что приводит к полному вытеснению воздуха из камеры обработки. Давление поддерживается на уровне 0,4-0,8 атм путем сброса давления. Выход «на плато» сопровождается сбросом давления продолжительностью 60-90 мин, при котором происходит разрыв цепочек гемицеллюлозы, снижается концентрация водопоглощающих гидроксильных групп, увеличивается устойчивость к сжатию и снижается уровень внутренних напряжений. Частично модифицируется и разрушает свои лигноуглеводные связи лигнин. Происходит поликонденсация лигнина с другими компонентами клеточной стенки, что приводит к дальнейшему сшиванию и способствует увеличению содержания лигнина. В результате термообработки содержание лигнина увеличивается на 20 %. Молекулы лигнина становятся менее эластичным, и микроволокна целлюлозы имеют меньше возможностей расширяться и впитывать воду, что объясняет уменьшение равновесной влажности и улучшение размерной стабильности.

Затем отключают нагревательные элементы и прекращают подогрев парогазовой среды в камере. Через 30-150 мин после прекращения подогрева парогазовой среды крайний раз воздействуют на древесину водяным паром продолжительностью 90-120 мин для стабилизации структуры древесины.

3. Охлаждение древесины до комнатной температуры. Приводит к закреплению образованных связей, в результате чего древесина приобретает новые свойства, связанные с необратимыми процессами полимеризации новых полимеров. Окончательный уровень влагосодержания древесины должен составлять 2-6 %. Этот этап занимает 2-10 ч.

Визуальным проявлением изменений в структуре и химическом составе древесины, происходящих в процессе паротермической обработки, является изменение цвета по всей толщине сортамента. Цветовая гамма от натурального до темно-коричневого в основном определяется продолжительностью и температурой термообработки. Соблюдение технологического процесса обеспечивает уникальную однородность структуры и изменения цвета исходных пиломатериалов.

Важно отметить, что перед паротермической обработкой древесины не подвергается обработке какими-либо химическими реагентами или методами, вызывающими окрашивание древесины (кипячение, запаривание, замачивание и т.д.).

При использовании данного способа древесина приобретает геометрическую стабильность. Это свойство древесины возникает благодаря структурированию молекулярных цепочек древесины и приобретению дополнительной жесткости за счет улетучивания и разложения полимерных соединений (смол).

Обработанная таким образом древесина также приобретает устойчивость ко многим биологическим повреждениям. Высокие температуры обработки разрушают полисахариды в древесине и создают практически абсолютную устойчивость к воздействию многих грибков и микроорганизмов на фоне очень низкой остаточной влажности 2-6 %.

Температура и длительность обработки зависят от необходимости получения того или иного свойства материала. Максимальная температура, а также график ее изменения зависит от породы и качества исходного материала.

Технический результат изобретения - предотвращение растрескивания, деформации и коробления даже термообработанной древесины, имеющей большое поперечное сечение, и повышение стойкости к гниению, устойчивость к воздействию многих грибков, микроорганизмам и термитам.

Для проведения испытаний было подготовлено 3 образца – ясень, бук и сосна. В таблице 1 указаны физико-механические характеристики, таблица 2 - содержание экстрактивных и основных компонентов в термообработанной древесине, таблица 3 - содержание азота, углерода, водорода и кислорода в термообработанной древесине.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики термообработанной древесины.

Свойства Ясень Бук Сосна до термообработки после термообработки до термообработки после термообработки до термообработки после термообработки 1 Прочность на сжатие, МПа 50 99 60 90 48 70 2 Прочность на изгиб, МПа 105 105,2 120 111,4 86 96,8 3 Прочность на разрыв, МПа 130 1339 135 1092 100 700

Таблица 2 - Содержание экстрактивных и основных компонентов в термообработанной древесине.

Содержание, % Ясень Бук Сосна до термообработки после термообработки до термообработки после термообработки до термообработки после термообработки 1 Экстрактивные вещества 5,0 1,8 6,0 2,4 7,6 2,9 2 Целлюлоза 58,3 46,7 41,5 47,7 50,6 45,2 3 Гемицеллюлоза 29,1 6,3 26,0 10,1 9,6 8,9 4 Лигнин 23,8 30,9 32,6 29,6 27,5 32,5

Таблица 3 - Окончательный анализ термообработанной древесины.

Содержание элемента, % Ясень Бук Сосна до термообработки после термообработки до термообработки после термообработки до термообработки после термообработки 1 Азот 0,1 0,06 0,1 0,05 0,2 0,05 2 Углерод 49,2 50,3 49,0 51,6 50,2 51,2 3 Водород 6,3 6,0 6,1 6,0 6,1 6,1 4 Кислород 43,9 42,4 44,3 42,1 43,3 41,2

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к паротермической обработке древесины. Способ паротермической обработки древесины включает низкотемпературную стадию при температуре 60-100 °С - нагрев воздушной среды с градиентом температуры 5-8 °С/ч до температуры 60-65 °С продолжительностью 15-40 мин, нагрев воздушной среды с градиентом температуры 3-5 °С/ч до температуры 95-100 °С продолжительностью 10-30 мин. Затем подается водяной пар в течение 90-150 мин и образуется избыточное давление. После происходит нагрев парогазовой среды до 160-170 °С с градиентом температуры 3-8 °С/ч продолжительностью 20-30 мин; подогрев парогазовой среды с градиентом температуры 5-8 °С/ч до температуры 180-190 °С и сбросом давления продолжительностью 40–60 мин; подогрев парогазовой среды с градиентом температуры 3-5 °С/мин до температуры 200-240 °С и сбросом давления продолжительностью 60-90 мин; воздействие на древесину водяным паром продолжительностью 90-120 мин; охлаждение древесины до комнатной температуры. Таким образом предотвращается растрескивание, деформация и коробление обработанной древесины, повышается стойкость к гниению, устойчивость к воздействию грибков, микроорганизмам и термитам. 3 табл.

Способ паротермической обработки древесины, включающий следующие воздействия, контролируемые автоматикой: низкотемпературная стадия при температуре 60-100 °С - нагрев воздушной среды с градиентом температуры 5-8 °С/ч до температуры 60-65 °С продолжительностью 15-40 мин, нагрев воздушной среды с градиентом температуры 3-5 °С/ч до температуры 95-100 °С продолжительностью 10-30 мин, затем подается водяной пар в течение 90-150 мин и образуется избыточное давление, после происходит нагрев парогазовой среды до 160-170 °С с градиентом температуры 3-8 °С/ч продолжительностью 20-30 мин; подогрев парогазовой среды с градиентом температуры 5-8 °С/ч до температуры 180-190 °С и сбросом давления до 0,4-0,8 атм продолжительностью 40-60 мин; подогрев парогазовой среды с градиентом температуры 3-5 °С/мин до температуры 200-240 °С и сбросом давления до 0,4-0,8 атм продолжительностью 60-90 мин; воздействие на древесину водяным паром продолжительностью 90-120 мин; охлаждение древесины до комнатной температуры.