BG67370B1 - Метод за получаване на черни декоративни покрития - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до метод за получаване на черни (въгленови) декоративни покрития върху повърхността на дърво, целулоза и/или продукти на тяхна основа - дъски, греди, шперплат, фурнир, картон, хартия, велпапе и други, чрез химично проявяване/овъгляване на дървесината. Изобретението се основава върху използването на съдържащи фосфор забавители на горенето за химично овъгляване на дървесината и формиране на декоративни въгленови покрития върху повърхността. То може да намери приложение още за нанасяне на черно-бели графични изображения или рисунки върху дървесната повърхност чрез частично нагряване и/или обгаряне на повърхността на подложката. Методът включва: плазмено-химично повърхностно активиране на подложката чрез пряко обработване със студена плазма, или косвено (отдалечено) чрез обработване с химически активни частици, извлечени от нея; повърхностно (капилярно) импрегниране на дървесината с водни разтвори на забавителя на горенето, сушене и химично проявяване на покритието, в резултат на отделянето на (орто)фосфорна киселина при термичното разлагане на забавителя на горенето.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до метод за получаване на черни (въгленови) декоративни покрития (англ.: charring wood coating) върху повърхността на дърво, целулоза или продукти на тяхна основа - дъски, греди, шперплат, фурнир, картон, хартия, велпапе и други, чрез повърхностно химично овъгляване на дървесината (англ.: chemical wood burning).

Изобретението може да намери приложение още за нанасяне на декоративни покрития, съдържащи поне едно черно-бяло графично изображение или рисунка, чрез частично термично проявяване или овъгляване на повърхността на подложката от дърво, целулоза или продукти на тяхна основа.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е класически метод за получаване на черни (въгленови) декоративни покрития, чрез повърхностно термично (пиролизно, пламъчно) овъгляване на дървесината, при температури, които принадлежат към областта на пламъчно горене (от 280°С до 450°С), което започва от пилотен пламък и се поддържа от летливите горими газове, като въглероден оксид, метан и др., които се отделят, в резултат от термично разлагане (пиролиза) на дървесината [1].

Това е традиционна японска техника за получаване на черни декоративни покрития, чрез повърхностно термично овъгляване на дървесината, която в началото на 2000-те е „преоткрита“ първо в Япония, а след това печели вниманието на архитекти и дизайнери в Европа и Северна Америка, за приложение в интериора и екстериора на оригинални къщи и сгради [2].

Методът е известен на запад като „shou sugi ban“, докато в Япония се нарича “yaki sugi-ita” или по-често “yakisugi (якисуги). В свободен превод от английски, това означава „обгоряла дъска от кедър“, въпреки че „sugi“ не е кедър, а ендемично за Япония иглолистно дърво (Cryptomeria japonica), което принадлежи на семейството кипарисови Cupressaceae (Genus: Cryptomeria) [3].

Методът за получаване на черни декоративни покрития, чрез повърхностно термично овъгляване, се прилага индустриално за производство на черни декоративни покрития върху продукти (дъски, греди, шперплат, ламперия) от мека дървесина - бор, ела, кипарисово дърво, дъгласова ела, кедър и твърда дървесина - магнолия, ясен, бряст, дъб, тиково дърво, орех. Най-често методът се прилага за външна стенна (черна) декоративна облицовка, която се съчетава с бяла мазилка - при градински огради и врати, покривни елементи. Произвежда се още цветна овъглена дървесина [4].

При съвременното индустриално производство (на дъски и греди), получаването на черни декоративни покрития, чрез повърхностно нагряване или обгаряне се извършва контролирано в пещи за обемно нагряване или чрез свободно обгаряне с газова горелка. Технологично, процесът завършва винаги с гасене на горящата повърхност, за да бъде прекратен процесът на горене и разпространение на огъня.

Този метод се прилага в три варианта на изпълнение, в зависимост от последващото механично обработване на произведения черен декоративен слой, което създава различни декоративни ефекти: първия, „suyaki”, не включва допълнителното механично обработване след овъгляване; втория, „gendai“, включва еднократно механично обработване, с метална четка или шкурка; третия, „pika-pika”, включва двукратно (многократно) механично обработване след овъгляване, до проявяването на характерен за вида дървесина декоративен ефект.

Самото повърхностно термично проявяване или овъгляване може да бъде завършено в различна степен, в зависимост от дебелината и цвета на покритието - от леко, до средно и силно овъгляване, което съответства на изменение на цвета от кафяво до черно. Декоративният ефект, наречен „крокодилска кожа“, се постига едва след много силно термично овъгляване. Обикновено, черното декоративно покритие, т.е. овъгленият повърхностен слой се импрегнира с безир (ленен) или масла (соево), за да се заздрави връзката му с подложката и да се усили устойчивостта му на външни атмосферни влияния. Декоративното въгленово покритие има различна дебелина, която може да достигне до 2-3 mm, в зависимост от дебелината на подложката. Дебелината на декоративното покритие е критична, предвид устойчивостта му на външни атмосферни условия под действието на дъжд и ултравиолетово лъчение покритието ерозира бавно и се износва. Използването на масла и стабилизатори може да ограничи тази ерозия, като заздрави декоративното черно покритие. Някои изследвания показват, че покритие от 2 mm издържа, без сериозни промени, в продължение на 5 години. Традиционната японска практика дава, в общия случай, живот на покритието поне 50 години, [2, 3 и 4].

Известно е това, че пламъчното горене на дървесината започва в температурния диапазон от около 225 до 275°С, разгръща се при температури над 280°С и завършва при температури под 500°С. Трите полимерни компонента на дървесината - целулозата, хемицелулозата и лигнина, започват своята термична декомпозиция, придружена от производството на летливи горими газове, смола (левоглюкозан, изомер на елементарното звено на целулозата) и въглен. Термичната деструкция (пиролизата) на дървесината се разглежда като суперпозиция на трите индивидуални процеса (механизма) на термична деструкция: хемицелулозата деструктира първа при температури от 180 до 350°С, следвана от целулозата - от 275 до 350°С и лигнина - от 250 до 500°С. Проявената термична стабилност на лигнина се дължи на силно омрежената му структура и високото молекулно тегло [1].

Пламъчното горене на дървесината започва, когато летливите горими газове влязат в реакция с кислорода от въздуха. То е придружено с интензивно отделяне на топлина и бързо нарастване на температурата, което предизвиква разрастваща се верига от химични реакции и бързо разпространение на огъня.

Известно е, че черното (въгленовото) декоративно покритие е устойчиво на плесени, гъбички и бактерии, насекоми, вода и пламъчно горене. Въгленовото покритие е трудно горимо покритие, което не разпространява горенето. Изгарянето на холоцелулозата (хемицелулозата и целулозата) практически създава свободен от полизахариди слой, който се явява бариера, от една страна за плесените, гъбичките и бактериите, а от друга - за насекомите (включително, термитите), поради което той е устойчив на гниене и остава неинтересен за вредителите. Черното декоративно покритие отблъсква водата и предотвратява увреждането от слънчеви лъчи. То се получава по проста технология, съобразена с опазването на околната среда, като използва естествени материали. Към това трябва да се добави и декоративният ефект, който дава нови естетически възможности на архитектурния дизайн. Не бива да се пренебрегва и по-ниската цена от използваните традиционни методи на защита и декориране на дървесната повърхност [2, 3, 4].

Основните недостатъци на известния метод за получаване на черно декоративно покритие, чрез повърхностно термично овъгляване на дървесината, се състоят в:

а) високата температура, от 280 до 350°С (450°С), необходима за термична деструкция и овъгляване на холоцелулозата;

b) все по-интензивното отделяне на летливи горими газове, с нарастването на температурата, предопределящо запалване, пламъчно горене на дървесината и разпространение на огъня;

c) придружаващия риск от разпространение на огъня по повърхността на дървото, развитие на неуправляемо горене и предизвикване на пожар;

d) овъгляването зависи силно от геометрията и дебелината на подложката, от вида, т.е. от структурата и плътността на дървесината, което изисква емпиричен опит, отнесен към всяко конкретно приложение;

е) температурата на отделените газове може да надхвърли 260°С, което увеличава риска от поява и развитие на пожар;

f) процесът на овъгляване завършва винаги с прекъсване на пиролизата и горенето чрез гасене на пламъчното горене - спира се достъпа на кислород (въздух) и/или на топлина (охлаждане);

g) процесът е трудно управляем, поради което произвеждането на декоративния ефект е поскоро изкуство, отколкото технология, гарантираща определено качество [2, 3, 4].

Известен е метод за нанасяне на надписи или изображения чрез повърхностно химично овъгляване на дървесината (англ.: chemical wood burning), при който те се отпечатват върху повърхността на дървесна подложка с воден разтвор на амониев хлорид (NH₄Cl). При повърхностното химично проявяване, чрез нагряване или обгаряне, амониевият хлорид се разлага на амоняк (NH₃) и солна киселина (НО). Амонякът се отделя в околното пространство, а солната киселина „изгаря“ дървесината, т.е. реализира повърхностното химично овъгляване, което проявява надписа или изображението. Нагряването или проявяването се осъществява, най-често, с помощта на пистолет за горещ въздух или чрез нагряване в електрическа пещ [5].

Основните недостатъци на този метод за получаване на черно-бели декоративни надписи или изображения, чрез повърхностно химично овъгляване на дървесината, са:

а) процесът на химично проявяване е опасен за околната среда и здравето, тъй като се отделя интензивно амоняк, който дразни лигавиците и затруднява дишането - необходима е непрекъсната вентилация или защита на дихателните органи;

b) произвеждат се основно декоративни надписи или изображения върху повърхността на подложката, т.е. не се произвеждат декоративни покрития с относително голяма площ.

Известни са методи и водни разтвори на основата на органични и неорганични химични съединения, съдържащи фосфор, наречени забавители на горенето (англ. flame или fire retardant), придаващи устойчивост спрямо пламъчно горене и запалване на дърво, целулоза или продукти на тяхна основа, чрез импрегниране под налягане или във вакуум, чрез потапяне, накисване, разливане, нанасяне с валяк, четка или напръскване под налягане при атмосферно налягане. След изсушаване, се получава защитно дифузно покритие, което не променя цвета и външния вид на подложката и съдържа в обема си фосфорния забавител на горенето, [6^12].

Съдържащите фосфор забавители на горенето се използват практически в много варианти на приложение, но съдържат основно (орто)фосфорна киселина, Н₃РО₄; фосфати, като моноамониевия фосфат (MAP), (NH₄)H₂PO₄; диамониевия фосфат (DAP), (NH₄)₂HPO₄; триамониевия фосфат (TAP), (NH₄)₃HPO₄; амониевия полифосфат, [NH₄PO₃]_n(OH)₂; гуанидин фосфат, меламин полифосфат; фосфонати, фосфин, фосфинови оксиди и фосфатни естери, и други. Съществена част от тях се включват в групата на несъдържащите халогени (хлор, бром, флуор, йод) и халогениди, като забавители на горенето, поради което не са опасни за здравето, нетоксични, неканцерогенни и природосъобразни, [6^12].

Не е известно приложение на съдържащите фосфор забавители на горенето за получаване на черни (въгленови) декоративни покрития, чрез повърхностно химично овъгляване на дървесина, целулоза или продукти на тяхна основа. Напротив, защитното покритие, което съдържа в обема си забавителя на горенето, не трябва да влияе върху естествената структура, цвета и декоративната стойност на дървото. Изисква се тези покрития да бъдат безцветни и неутрални. „Защитното“ въгленово покритие се проявява едва при началните температури на пламъчно горене (пожар), т.е. то не е желано при нормалната експлоатация на дървото и продуктите от него. Така, след като е потиснало разпространението на огъня, покритието е компрометирало продукта, т.е. той става негоден за експлоатация, [13].

Известно е това, че дебелината на защитното покритие, съдържащо фосфорен забавител на горенето, придаващо устойчивост спрямо запалване и пламъчно горене, зависи силно от структурата на дървесината, състоянието на повърхността и технологията на импрегниране. На импрегниране, с водни разтвори на забавители на горенето, се поддава по-лесно меката дървесина. Състоянието на повърхността трябва да подпомогне импрегнирането на дървесината, поради което се използват различни технологии, които отстраняват замърсяващите, смолистите и разтворимите вещества, и активират химически повърхността: механично почистване и отваряне на порестата структура чрез рендосване и шлайфане (с шкурка), перфориране или фрезоване, и химично или плазмено-химично почистване и активиране на повърхността, [13].

Механичното или лазерното обработване, чрез фрезоване на мрежа от прекъснати нарези по дължина на подложката, или перфорирането на мрежа от отвори в дълбочина на подложката, преследва проникването на импрегниращия разтвор в дълбочина - от 2 mm до 10^12 mm, и увеличаване на дебелината на защитното покритие, съдържащо фосфорни забавители на горенето.

Известен е метод на плазмено-подпомогнато (химично) активиране на дървесината със съдържащи фосфор и азот забавители на горенето, WO 2006/133524 А2, в резултат на което се увеличава дебелината на покритието, подобрява се непрекъснатостта, т.е. намалява се броят на дефектите и нецялостностите на защитното покритие, потискащо пламъчното горене, [9]. Използването на атмосферен диелектричен бариерен разряд във въздух, при атмосферно налягане, увеличава химичната активност на повърхността, нейната полярност и хидрофилност, което води до нарастване на податливостта й на импрегниране с водни разтвори на съдържащи фосфор забавители на горенето.

Екстрахиращите се вещества не са структурообразуващ компонент на дървесината, но определят нейния мирис, цвят, плътност, запалимост, хигроскопичност, устойчивост на светлина, здравина и пропускливост. Тяхната миграция към повърхността променя съществено нейните свойства - химичната активност или по-точно неактивност, капилярната активност, умокрянето, разливането и поливането на импрегниращите разтвори. Плазмено-химичното третиране предизвиква оксидиране, разграждане и отстраняване на екстрахиращите се вещества от повърхността. В резултат на това, нискоенергийната дървесна повърхност се активира и увеличава своята повърхностна свободна енергия, т.е. увеличава се нейната податливост на повърхностно импрегниране [8, 9, 14, 15 и 16].

Нещо повече, добавянето на подходящи повърхностно активни вещества (ПАВ), които да намалят повърхностното напрежение на импрегниращия разтвор, може да подобри значимо процеса на плазмено-подпомогнато импрегниране и качеството на защитното покритие [14, 15 и 16].

Цел на изобретението е създаването на метод за получаване на черни (въгленови) декоративни покрития върху повърхността на дърво, или продукти на негова основа, чрез повърхностно химично овъгляване на дървесината. Методът трябва да се основава изключително върху използването на фосфорсъдържащи забавители на горенето - органични и неорганични съединения на фосфора (и на азота), за формирането на черни декоративни покрития върху повърхността на дървесната подложка, като се потиска пламъчното горене и предотвратява запалването на дървесината и разпространението на огъня.

Методът трябва да позволи: първо, плазмено-химично повърхностно активиране на дървесината; второ, импрегниране на дървесината с водни разтвори на фосфорсъдържащи забавители на горенето, при нормално атмосферно налягане - чрез потапяне, разливане, нанасяне с валяк, четка или чрез напръскване; при повишено налягане - в автоклав; или при понижено налягане - във вакуум; трето, сушене на дървесината до постоянно тегло, при температури под температурата на химическо активиране на фосфорсъдържащия забавител на горенето; четвърто, термично разлагане на фосфорния забавител на горенето, с отделяне на (орто)фосфорна киселина; и пето, повърхностно химично овъгляване на дървесината, с отделяне на вода и образуване на въгленово покритие [14, 15 и 16].

Цветът на покритието, в зависимост от условията на получаване, може да се изменя от кафяво, тъмнокафяво и черно до синкаво-черно, но се търси, преди всичко, ефекта на равномерно, непрекъснато и наситено черно декоративно покритие.

Овъгляването или проявяването да се осъществи при възможно най-ниски температури, като произвеждането на черното декоративно покритие да стане за сметка на по-малка загуба на маса, което да запази при необходимост здравината на дървената конструкция. Самото овъгляване да протече в условията на потиснато пламъчно горене, което да ограничи отделянето на топлина и да не позволи появата и разпространението на огъня, като намали риска от пожар.

Други методи, изградени върху него, трябва да позволят формирането на черно-бяло графично изображение или рисунка върху повърхността, чрез: първо, избирателно частично нанасяне на разтвора върху повърхността на подложката, съобразно графичното изображение, така че след термично проявяване или овъгляване на дървесината, да се получи декоративно черно-бяло изображение; температурният интервал на проявяване не трябва да променя състоянието на дървесината, преди всичко естественият цвят на дървото, т.е. да формира бялата част на изображението; второ, нанасяне на разтвора върху цялата повърхност на подложката и избирателно частично проявяване или овъгляване с помощта на термично изолиращ шаблон (екран), защитаващ „бялата“ част на изображението; трето, нанасяне на разтвора върху цялата повърхност на подложката и избирателно частично проявяване или овъгляване с помощта на печатане, щамповане или пирографиране с помощта на нагрят метален инструмент, проявяващ „черната“ част на изображението.

Други методи, изградени върху този метод, трябва да включват подходи за увеличаване на дебелината на черното декоративно покритие, чрез: първо, предварително повърхностно плазменохимично активиране (окисление) на дървесната повърхност, за подпомагане на импрегнирането на дървесината и подобряване на качеството на декоративното черно покритие; второ, създаване на мрежа от предварително направени нарези или отвори, с определена дълбочина, върху повърхността на подложката.

Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението се решава чрез метод за получаването на черни (въгленови) декоративни покрития, чрез химично овъгляване на повърхността на дърво, целулоза или продукти на тяхна основа, който включва следните последователни стъпки: първо, повърхностно плазменохимично активиране на подложката - пряко, чрез обработването със студена плазма, или косвено (отдалечено), чрез обработването с продукти, извлечени от студената плазма, съдържащи химически активни частици (ХАЧ); второ, импрегниране на дървесната подложка с водни разтвори на съдържащи фосфор забавители на горенето; трето, сушене на подложката до равновесна влажност, който се характеризира с това, че сушенето се извършва при стайна или повишена температура - до 180°С; четвърто, полученото безцветно покритие се проявява до черно декоративно покритие, чрез нагряване или обгаряне на повърхността на подложката, в интервала от температури от 225 до 275°С, предизвикващо химично овъгляване на дървесината под действие на отделената (орто)фосфорна киселина.

Други варианти на метода за получаване на черни декоративни покрития, чрез химично овъгляване на повърхността на дървесна подложка, се характеризират с това, че нагряването или обгарянето на повърхността се осъществява контактно или безконтактно. Контактното проявяване използва притискането върху повърхността на загрят метален инструмент (например, щампа), струя горещ въздух, пламък на газова горелка или нефокусиран лазерен лъч. Безконтактното проявяване се осъществява чрез инфрачервено тъмно или светло нагряване.

Други варианти на метода за получаване на черни декоративни покрития, се характеризират с това, че след химично проявяване на черното декоративно покритие, се осъществява механично отстраняване на част от повърхностния слой на покритието, еднократно или многократно, чрез шлифоване или фрезуване, до проявяването на характерни декоративни структури и ефекти върху повърхността на подложката.

Варианти на метода за получаване на черни декоративни покрития, се характеризират с това, че преди импрегниране, или още преди плазмено-химично активиране на повърхността, подложката се прорязва и/или пробожда в дълбочина - от 10 pm до 2-3 mm, в зависимост от дебелината. Така се образува повърхностна мрежа от прорези (канали) или отвори, които провеждат импрегниращия разтвор в дълбочина. Увеличава се дебелината на черното декоративно покритие и се създават възможности за проявяване на нови декоративни функции на покритието.

Друг метод за получаване на черни декоративни покрития се характеризира с това, че съдържа едно или повече черно-бели графични изображения или рисунки, които се проявяват химично, чрез частично нагряване или обгаряне на импрегнираната безцветна повърхност на подложката, при което се появява видимо черната част на изображението или рисунката.

Варианти на метода за получаване на черни декоративни покрития, съдържащи едно или повече черно-бели графични изображения или рисунки, се характеризира с това, че след импрегниране и изсушаване на цялата повърхност на подложката, черно-бялото графично изображение или рисунка се проявява химично чрез печатане, щамповане или пирографиране с метални инструменти (форми), нагрети до температурата на химично овъгляване на повърхността на подложката, които носят, изцяло или частично, черната част на графичното изображение или рисунка.

Други варианти на метода за получаване на черни декоративни покрития, съдържащи чернобяло графично изображение или рисунка, се характеризират с това, че графичното изображение или рисунка се проявява чрез частично нагряване или овъгляване на повърхността на подложката, през термично изолираща и защитаваща маска (шаблон), носеща в негатив черно-бялото графично изображение или рисунка, която защитава от овъгляване „бялата“ част от импрегнираната повърхност, включително тази на изображението или рисунката.

Метод за получаване на черни декоративни покрития, чрез химично овъгляване на повърхността на дърво, целулоза или продукти на тяхна основа, който се характеризира с това, че декоративните покрития съдържат едно или повече черно-бели графични изображения или рисунки, които се проявяват видимо чрез нагряване на цялата повърхност на подложката. Преди това, тази част от повърхността, която носи черната част на черно-бялото изображение или рисунка, се импрегнира с воден разтвор на съдържащия фосфор забавител на горенето, при което върху повърхността се отпечатва графичното изображение или рисунка, но без цвят и почти неразличимо за окото. Цялата повърхност се изсушава до равновесна влажност. Едва след това, черно-бялото изображение или рисунка се проявява чрез химично овъгляване на черната част от изображението или рисунката.

Пояснение на приложените фигури

Едно примерно изпълнение на метода за получаване на черни декоративни покрития, съдържащи или несъдържащи поне едно черно-бяло графично изображение или рисунка, е представено с помощта на придружаващите описанието фигури, където:

фигура 1 представя последователно и схематично (блокова схема) стъпките, които съдържат всички варианти на реализация на метода за получаване на черни декоративни покрития, чрез повърхностно химично овъгляване на дървесина;

фигура 2 представя последователно стъпките, които съдържа един вариант на реализация на метода за получаване на черни декоративни покрития, включващи поне едно черно-бяло графично изображение или рисунка, което се отпечатва с воден разтвор на фосфорсъдържащия забавител на горенето върху повърхността на дървесната подложка, след което изображението се изсушава и проявява или овъглява химично, за да стане видимо;

фигура 3 представя последователно стъпките, които съдържа един вариант на реализация на метода за получаване на декоративни покрития, включващи поне едно черно-бяло графично изображение или рисунка, което се проявява химично с помощта на нагрят инструмент - печатарска форма, щампа, накрайник за пирографиране, чрез притискане към импрегнираната с воден разтвор на фосфорсъдържащия забавител на горенето повърхност;

Фигурата представя още стъпките, които съдържа, друг вариант на реализация на метода за получаване на декоративни покрития, включващи поне едно черно-бяло графично изображение или рисунка, което се проявява пряко или косвено през защитна, термично изолираща маска, носеща в негатив самото изображение или рисунка;

фигура 4 позволява да бъде съпоставен външния вид на черно декоративно въгленово покритие (а), проявено химично, чрез нагряване, за време 15 min, при температура 275°С, с външния вид на изсушено (непроявено) дифузно покритие, съдържащо фосфорен забавител на горенето, произведено чрез повърхностно импрегниране с четка и сушене при стайна температура (b), и още с външния вид на нетретирана дървесна проба (с) от мека борова дървесина (чам; Pinus Sylvestris L., България);

фигура 5 представя външния вид на химично проявено черно декоративно покритие, чрез нагряване, за време 15 min, при температура 275°С, след механично отстраняване на повърхностния слой на покритието - до проявяване на характерната за тази дървесина декоративна структура.

Примери за изпълнение на изобретениетоя

Съгласно представената на фиг. 1 блокова технологична схема на възможните реализации на метода за получаване на черни декоративни покрития, върху повърхността на дървесна подложка, чрез химично овъгляване на дървесината, която илюстрира различни варианти на осъществяване, съобразно включените последователни стъпки:

Вариант първи, при който дървесната подложка 1 се подлага на: повърхностно импрегниране 11, чрез нанасяне с четка на воден разтвор на фосфорен забавител на горенето; сушене 12 до равновесна влажност на полученото дифузно покритие, съдържащо фосфорния забавител на горенето, при стайна или повишена температура, но не по-висока от 180°С; термично проявяване 13 на въгленовото покритие чрез нагряване на повърхността, в интервала от 225 до 275°С, което предизвиква повърхностно химично овъгляване на дървесината, под действие на отделената (орто)фосфорна киселина, получена в резултат на термичното разлагане на съдържащия фосфор забавител на горенето. Посоченият температурен интервал на термично проявяване - от 225 до

275°С, осигурява преди всичко химично овъгляване на дървесината в обема на дифузното покритие, което придобива черен цвят на повърхността на подложката, докато останалата дървесина на подложката не търпи съществена промяна, включително на естествения цвят, характерен за вида дървесина.

Вариант втори, при който дървесните подложки 1, 2 или 3, след термично проявяване 13 на черното декоративно покритие, се подлагат еднократно 8 или многократно 9 на механично отстраняване на част от повърхностния слой, с помощта на метална четка или шкурка, до проявяването на специфична за всяка дървесина структура и цвят на повърхността. Ако се добави, след двукратното механично обработване, трансперантно оцветяване на неовъглената част от повърхността, то могат да се произведат голям брой различни по вид и качество декоративни покрития.

Вариант трети, при който повърхността на дървесната подложка 2 се подлага, преди повърхностното импрегниране 11, на плазмено-химично активиране или функционализиране 4, чрез директно окислително действие на студена въздушна плазма, при атмосферно налягане и стайна температура, получена от диелектричен бариерен разряд във въздух, при промишлена честота (50 Hz), или чрез косвено (отдалечено) окислително действие на извлечените химически активни частици (ХАЧ) - свободни атоми, йони и радикали, намиращи се в свободно или възбудено метастабилно състояние в плазмата на електрическия разряд. Импрегнирането 11 следва непосредствено след плазмено-химичното активиране 4, или след изтичане на определено време на „стареене“ на повърхността, в резултат на взаимодействието й с околната окислителна среда (въздуха), което запазва придобитата повишена свободна енергия на повърхността. При всички случаи, разликата между придобитата след плазменото активиране свободна повърхностна енергия и повърхностното напрежение на импрегниращия воден разтвор трябва да бъде положителна величина, за да се осигури повишена възприемчивост към процеса на импрегниране.

Вариант четвърти, при който преди импрегнирането 11, и още преди плазмено-химичното активиране 4, повърхността на дървесната подложка 3 се прорязва и/или пробожда 5, в дълбочина от 10 pm до 2-3 mm, в зависимост от дебелината на подложката, така че да се образува повърхностна мрежа от прорези (канали) или отвори, които при импрегнирането 11 да проведат импрегниращия разтвор в дълбочина на подложката. Това осигурява по-голяма дебелина на черното декоративно покритие и нови различни декоративни ефекти.

При всички варианти на осъществяване на метода за получаване на черно декоративно покритие, термичното проявяване 13 се осъществява чрез различни форми на повърхностно нагряване или обгаряне: контактно нагряване - със загрят метален инструмент, печатна форма, щампа или накрайник за пирографиране, струя горещ въздух, пламък на газова горелка или нефокусиран лазерен лъч; безконтактно нагряване - чрез инфрачервено светло или тъмно нагряване.

След импрегниране 11 на дървесината, със забавителя на горене, съдържащ фосфорни неорганични или органични съединения, рискът от пожар при термичното проявяване 13 на въгленовото черно покритие намалява съществено, тъй като се използва относително ниска температура на термохимично овъгляване - от 225 до 275°С, при което новоизграждащата се защитна въгленова бариера потиска ефективно пламъчното горене и разпространението на огъня.

Съществува метод за получаване на декоративни покрития, върху повърхността на дървесна подложка, които съдържат едно или повече черно-бели графични изображения или рисунки, които се проявяват чрез частично химично овъгляване на повърхността. Съгласно блоковата технологична схема, представена на фиг. 2, първи вариант на реализация на метода включва отпечатване на изображението 14 върху повърхността на дървесната подложка, с помощта на воден разтвор на фосфорсъдържащия забавител на горенето, като се импрегнира само черната част от графичното изображение или рисунка; сушене до равновесна влажност 12 на безцветното покритие, при стайна или повишена температура - не по-висока от 180°С; частично химично проявяване или овъгляване 10, при определена температура, в интервала от 225 до 275°С, като невидимото след изсушаването 12 изображение се превръща във видимо черно -бяло графично изображение, в резултат на овъгляване на черната част от изображението или рисунката.

Втори вариант на реализация на метода за получаване на декоративни покрития, съдържащи поне едно черно-бяло графично изображение или рисунка, представен на фиг. 3, включва: повърхностно импрегниране 11 на цялата повърхност на дървесната подложка 7 с воден разтвор на фосфорсъдържащия забавител на горенето; сушене 12 до равновесна влажност, при стайна или повишена температура - не по-висока от 180°С; частично химично проявяване или овъгляване 10 на графичното изображение, чрез отпечатване, щамповане, пирографиране 15 с метални инструменти - печатна форма, щампа, накрайник на пирографа, нагрети до температурата на химично овъгляване на повърхността на подложката - от 225 до 275°С, които носят изцяло или частично, графичното изображение или рисунката.

Трети вариант на реализация на метода за получаване на декоративни покрития, съдържащи поне едно черно-бяло графично изображение или рисунка, представен на фиг. 3, включва следните последователни стъпки: повърхностно импрегниране 11 на цялата повърхност на дървесната подложка 7 с воден разтвор на фосфорсъдържащия забавител на горенето; сушене 12 до равновесна влажност, при стайна или повишена температура - не по-висока от 180°С; частично термично проявяване/овъгляване на графичното изображение 16 с помощта на горещ въздух, газов пламък или инфрачервено нагряване, през термично изолираща маска (шаблон), носеща в негатив графичното изображение или рисунката, която защитава от овъгляване бялата част от изображението, включително тази вън от черно-бялото графично изображение или рисунка.

Съгласно фиг. 4, външният вид на представените пробни тела може да потвърди това, че след импрегниране и изсушаване на дифузното покритие (с), съдържащо фосфорен забавител на горенето, не се отличава съществено от външния вид на контролното (нетретираното) пробно тяло (в); напротив, след химично овъгляване на покритието, за време 15 min, при температура 275°С, то има равномерен плътен черен цвят (а).

Съгласно фиг. 5, повърхността на експерименталното тяло, придобило равномерен черен цвят, показано на фиг. 4, след механично обработване с мека телена четка се трансформира в декоративна структура, характерна за използваната дървесина (бял бор).

Примери за изпълнение

Изобретението се илюстрира със следните примери, които не ограничават по никакъв начин, възможните му приложения и използването на други, съдържащи фосфор забавители на горенето.

Пример 1. Дървесна подложка от бял бор (чам, Pinus Sylvestris L., България), с размери 150x30x5 mm, се подлага на повърхностно импрегниране, с воден разтвор на съдържащ фосфор забавител на горенето, чрез нанасяне с четка, при норма на импрегниране 0,139 l/m². Базовият воден разтвор на съдържащия фосфор забавител на горене има концентрация на сухо вещество около 30 мас. %; съдържание на фосфор около 13^14 мас. %, рН = 7^8, плътност около 1,17 g/cm³ и повърхностно напрежение 46,4 mN/m. Полученото безцветно дифузно покритие, нанесено върху подложката, което съдържа в обема си фосфорния забавител на горенето, се суши до равновесна влажност, т.е. при стайна температура до постоянно тегло на подложката.

Черното декоративно покритие се проявява термично в електрическа пещ, при температура 230 ± 1°С. Това предизвиква химично овъгляване на дървесината, под действие на отделената (орто)фосфорна киселина, резултат от термично разлагане на съдържащия фосфор забавител на горенето. Цялата повърхност придобива наситен черен цвят.

Черното покритие има различна дебелина: по направление на капилярите - до 1 mm, по направление напречно на тях - до 0,1 mm. Критично малка е дебелината на покритието в направление напречно на капилярите. Дървесината в обема на подложката не търпи съществена промяна на цвета. Дървесната проба губи само около 7,8 мас. % от своята първоначална маса, за да бъде произведено черното декоративно покритие.

Пример 2. Дървесната подложка от бял бор (чам; Pinus Sylvestris L., България) се импрегнира едностранно, при условията на пример 1, като се импрегнира само едната половина от повърхността на дървесната подложка. Полученото частично покритие се подлага на сушене и проявяване, при същите условия от пример 1. Импрегнираната част придобива наситен черен цвят, докато неимпрегнираната част от повърхността запазва непроменен естествения (условно наречен бял) цвят на боровата дървесина. Получава се ясна гранична линия между черната и бялата част на повърхността.

Пример 3. Дървесната подложка от бял бор (чам; Pinus Sylvestris L., България) се импрегнира повърхностно двустранно, при условията на пример 1, с тази разлика, че преди импрегнирането се подлага на директно повърхностно плазмено активиране в диелектричен бариерен разряд във въздух, при атмосферно налягане и стайна температура, при промишлена честота (50 Hz), напрежение на горене 17 kV (ефективна стойност) или 24 kV (максимална стойност) и време на плазмено третиране 60 sec. Полученото дифузно безцветно покритие се подлага на сушене и след това на термично проявяване, при условията от пример 1.

Цялата повърхност придобива наситен черен цвят. Черното покритие има различна дебелина: по направление на капилярите - 3,3 mm, и напречно на тях - 0,36 mm, т.е. повече от три пъти поголяма дебелина спрямо резултата от пример 1. Дървесината в обема на подложката не търпи съществена промяна на цвета. Дървесната проба е загубила само около 8,8 мас. % от своята първоначална маса, за да бъде осъществено черното декоративно покритие.

Пример 4. Произвежда се черно декоративно покритие върху подложка от бял бор (чам; Pinus Sylvestris L., България), при условията на пример 3, с тази разлика, че импрегнирането се извършва със същия импрегниращ воден разтвор, съдържащ фосфорен забавител на горенето, но с добавени 5 об. % (надкритична концентрация) анионно мицелобразуващо ПАВ („Антикристалин А“, „Климатех“ АД, България) и 1 об. % (надкритична концентрация) етоксилиран трисилоксанов ПАВ или суперспредер (Momentive Performance Materials GmbH & Co Kg, Германия), като плазменохимичното предварително обработване се извършва при напрежение 13 kV (ефективна стойност) или 18,3 kV (максимална стойност). Повърхностното напрежение на импрегниращия разтвор намалява на 18,5 mN/m.

След повърхностното химично овъгляване, цялата повърхност придобива наситен черен цвят. Черното покритие има също така различна дебелина: по направление на капилярите - 2,3 mm, и напречно на тях - 0,45 mm. Критичната дебелина на покритието е увеличена около 4,5 пъти. Дървесината в обема на подложката не търпи съществена промяна на цвета. Дървесната проба, обаче, губи около 21 мас. % от своята първоначална маса, за да бъде осъществено това декоративно черно въгленово покритие.

Пример 5. Произвежда се черно-бяло декоративно изображение, върху подложка от бял бор (чам; Pinus Sylvestris L., България), която се подлага на цялостно повърхностно импрегниране и сушене, при условията на пример 1. Получава се безцветно дифузно покритие върху цялата повърхност на подложката, което съдържа в обема си фосфорния забавител на горенето.

Химичното проявяване се осъществява с формуващ инструмент (щампа), нагрят до температура 275°С, който се притиска до повърхността и овъглява дървесината под себе си. Формуващият инструмент носи графичното изображение (надписа, рисунката) и го проявява/отпечатва върху повърхността. В мястото на отпечатване, дървесината придобива наситен черен цвят.

Claims (1)

1. Метод за получаване на черни декоративни покрития, чрез химично овъгляване на повърхността на дърво, целулоза или продукти на тяхна основа, който включва следните последователни стъпки: плазмено-химично повърхностно активиране на подложката - пряко, чрез обработване със студена плазма, или косвено (отдалечено), чрез обработване с продукти, извлечени от студената плазма, съдържащи химически активни частици; импрегниране на дървесната подложка с воден разтвор на съдържащ фосфор забавител на горенето и сушене до равновесна влажност, характеризиращ се с това, че сушенето се извършва при стайна или повишена температура - до 180°С, след което полученото безцветно покритие се проявява до черно декоративно покритие чрез нагряване или обгаряне на повърхността на подложката, в интервала от температури от 225 до 275°С, предизвикващо химично овъгляване на дървесината под действие на отделената (орто)фосфорна киселина