EA005058B1

EA005058B1 - Модифицированный лесоматериал и способ его изготовления

Info

Publication number: EA005058B1
Application number: EA200301039A
Authority: EA
Inventors: Григорий Торговников; Питер Винден
Original assignee: Дзе Юниверсити Оф Мельбурн
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2004-10-28
Also published as: WO2002074507A1; CA2441498A1; ZA200305800B; CN1498153A; AUPR388201A0; CN1253292C; EA200301039A1; US20040115460A1; EP1370400A4; BR0207419A; EP1370400A1; JP2004520976A

Abstract

Способ изготовления модифицированного лесоматериала, включающий следующие этапы: модификацию влажной древесины путем воздействия на древесину микроволновым излучением, обладающим микроволновой энергией 100-4000 Дж/сми частотой (f) 0,1-10 ГГц, в течение 0,1-100 с для образования множества каверн, расположенных в радиально-продольных плоскостях древесины, причем по меньшей мере часть из каверн взаимно соединена каналами в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях древесины; сушку модифицированной древесины; импрегнирование модифицированной древесины клеящим компонентом; приложение давления к импрегнированной древесине для того, чтобы по меньшей мере частично закрыть каверны и каналы, образовавшиеся во время этапа модификации, и для склеивания древесных волокон клеящим компонентом.

Description

Настоящее изобретение относится к модифицированному лесоматериалу и способу его изготовления. Более конкретно, изобретение относится к модифицированному лесоматериалу, выработанному из древесины, которая была подвергнута микроволновой обработке для создания ряда каверн в радиально-продольных плоскостях древесины. По меньшей мере некоторые из каверн взаимно соединены каналами, расположенными между кавернами в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях. Каверны заполняют путем импрегнирования клеящим компонентом и затем по меньшей мере частично закрывают под давлением для образования лесоматериала.

Материалы на основе древесины известны, и их широко используют, например, в строительной промышленности. Эти материалы на основе древесины включают, например, клеенную фанеру и ламинированный фанерный пиломатериал (ЬУЬ). Последний, однако, обладает рядом недостатков, включая недостаточно натуральный внешний вид, неравномерные свойства, сложную технологию и высокую стоимость изготовления фанеры и высокие требования к качеству сырья.

Настоящим изобретением создан модифицированный лесоматериал, который можно использовать в качестве альтернативы этим и другим или подобным материалам на основе древесины, устраняющий некоторые или все указанные выше недостатки. Модифицированный лесоматериал обладает высокой прочностью и хорошей стабильностью размеров, натуральным внешним видом и структурой и его можно изготавливать, используя низкосортное исходное сырье, например ядро сосны или лжетсуги тиссолистой. Согласно способу изготовления модифицированного лесоматериала можно использовать достаточно простую технологию в сравнении с технологией изготовления ламинированного фанерного пиломатериала (ЬУЪ), но при более низкой стоимости изготовления предлагаемого лесоматериала.

Согласно настоящему изобретению создан способ изготовления модифицированного лесоматериала, включающий следующие этапы: модифицирование влажной древесины путем воздействия на древесину микроволновым излучением, обладающим микроволновой энергией, составляющей 100-4000 Дж/см³, и частотой (1), составляющей 0,1-10 ГГц, в течение 0,1-100 с для образования множества каверн, расположенных в радиально-продольных плоскостях древесины, причем по меньшей мере некоторые из каверн взаимно соединяют каналами в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях древесины; сушку модифицированной древесины; импрегнирование модифицированной древесины клеящим компонентом и приложение давления к импрегнированной древесине для того, чтобы по меньшей мере частично закрыть каверны и каналы, образованные во время этапа модификации, и для склеивания древесных волокон клеящим компонентом.

Создан также модифицированный лесоматериал, изготовленный описанным в предшествующем разделе способом.

Согласно другой отличительной особенности изобретения создан модифицированный лесоматериал, содержащий множество прожилок, расположенных в радиально-продольных плоскостях модифицированного лесоматериала, причем в прожилках содержится клеящий компонент, которым склеены между собой древесные волокна модифицированного лесоматериала, при этом они образованы путем приложения давления к модифицированной древесине, содержащей множество открытых каверн, расположенных в радиально-продольных ее плоскостях, импрегнированных клеящим компонентом, по меньшей мере некоторые из которых взаимно соединены каналами, расположенными в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях модифицированной древесины.

На этапе модификации, включающем приложение микроволн к древесине, происходит расширение участков ксилемы между сердцевинными лучами древесины с образованием каверн либо вместо ткани ксилемного луча и/или рядом с тканью ксилемного луча в радиальном, продольном и тангенциальном направлениях, таким образом вызывая расширение древесины в области микроволновой обработки. В процессе модификации также происходят разрыв мембран сосудов древесных клеток, стенок, а также разрушение тилозы в сосудах или элементах сосудов твердых пород древесины, в результате чего образуются каналы. Каналы образуются в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях древесины и взаимно соединяют по меньшей мере некоторые из каверн. В предпочтительном варианте выполнения во время этапа модификации объем древесины увеличивается до 15% (в сравнении с объемом сухой древесины).

Модифицированная древесина после приложения микроволн может быть по выбору высушена любым подходящим способом, включая обычно применяемые способы, для приведения содержания влаги в древесине до желаемого уровня. Этап сушки древесины предпочтительно выполняют путем приложения микроволн, конвекционным способом или другими способами. Аналогично, благодаря повышенной проницаемости древесины после микроволновой обработки клеящий компонент может быть импрегнирован в древесину любым подходящим способом. Например, на этапе импрегнирования древесина может быть импрегнирована путем замачивания или импрегнирования под давлением в автоклаве. Кроме того, давление, которое прикладывают к импрегнируемой древесине, может быть приложено, если это требуется, но предпочтительно на этапе приложения давления давление прикладывают к импрегнируемой древесине, главным образом, в тангенциальном направлении древесины.

Клеящий компонент может включать любой компонент, который можно импрегнировать в модифицируемую древесину и посредством которого можно эффективно склеивать между собой древесные волокна модифицируемой древесины, когда к древесине прикладывают давление. Однако в предпочтительном варианте выполнения клеящий компонент является полимером, выбираемым из группы, включающей дифенилметандиизоцианат, полимеры на основе формальдегида, например фенолформальдегид, меламинформ-мочевина и т.п.; быстрофиксирующиеся смолы или клеящие вещества, используемые в изготовлении ДСП, например клеи, изготовленные из растительного или животного сырья, например крахмал и казеин.

В клеящий компонент могут быть также включены другие клеящие вещества или могут быть добавлены отдельно в клеящий компонент для улучшения технологических характеристик готового изделия. Например, могут быть добавлены вещества, повышающие огнестойкость, стойкость к грибкам и насекомым, водоотталкивающие свойства, или химические модифицирующие агенты, которые повышают стойкость древесины. В клеящий компонент могут быть также добавлены окрашивающие агенты для изменения внешнего вида готового материала. Вообще, можно имитировать одни породы дерева, используя древесину другой породы, путем включения окрашивающего агента в клеящий компонент. Например, модифицированная сосна может быть пропитана более темным клеящим компонентом, чтобы готовый лесоматериал по внешнему виду после прессования и термофиксации был сходен с дубом.

Склеивание неполимерным связующим может быть также достигнуто нагревом, путем использования плазмы, частичным превращением в волокнистую массу или путем химической модификации, например применением ацетилирования или поверхностно активных веществ.

Давление, которое прикладывают во время выполнения этапа приложения давления, которое, как было упомянуто выше, предпочтительно прикладывают, главным образом, в тангенциальном направлении древесины, может быть приложено при любом подходящем давлении в течение предварительно заданного периода времени для достижения желаемых результатов, заключающихся в том, чтобы были сформированы по меньшей мере частично закрытые и/или полностью закрытые каверны и каналы, взаимно соединяющие по меньшей мере некоторые из этих каверн. Может быть приложено такое давление, чтобы довести древесину до ее исходных размеров, или в альтернативном варианте выполнения может быть приложено меньшее дав ление, чтобы готовый модифицированный лесоматериал имел большие размеры, чем исходный древесный образец, или может быть приложено большее давление, чтобы полученный модифицированный лесоматериал имел меньшие размеры, чем исходный древесный образец. Следует иметь в виду, что величиной прикладываемого давления также воздействуют на прочностные характеристики готового модифицированного лесоматериала. Следует также иметь в виду, что импрегнирование древесины различными клеящими компонентами и при различном удельном содержании клеящего компонента в модифицированном лесоматериале также ведет к достижению различных физических и механических свойств модифицированного лесоматериала. Предпочтительно, чтобы модифицированный лесоматериал содержал около 1-40% клеящего компонента от массы сухой древесины. Помимо этого, приложение давления к импрегнированной древесине может быть выполнено так, чтобы придать модифицированному лесоматериалу различные формы. Например, импрегнированная древесина может быть подвергнута давлению для образования модифицированного лесоматериала с прямоугольным, овальным и другими видами поперечного сечения. Кроме того, во время выполнения процесса прессования к различным частям материала может быть приложено различное давление для создания изделий различных форм.

Следует также иметь в виду, что благодаря применению микроволновой модификации древесной структуры, описанной здесь, импрегнирования этой структуры связующим и последующего склеивания, например, с использованием формы, и термофиксации связующего может быть создан быстрый способ изготовления изогнутых или криволинейных лесоматериалов и компонентов для мебели и столярных изделий.

Установлено, что модифицированный лесоматериал, изготовленный из модифицированного микроволновой обработкой ясеня, импрегнированный 6-14% (от сухой массы) дифенилметандиизоцианатом (ΜΌΙ) и подвергнутый прессованию для получения лесоматериала с размерами поперечного сечения, эквивалентными размерам исходного сырьевого лесоматериала, обладает пределом прочности при изгибе в радиальном направлении, превышающем в 1,5-2,1 раза, а в тангенциальном направлении в 1,3-1,6 раза аналогичный показатель натуральной древесины. Клеящий компонент в модифицированном лесоматериале расположен, в основном, в его радиально-продольных плоскостях, и, по существу, предел прочности при изгибе модифицированного лесоматериала в радиальном направлении выше в сравнении с аналогичным показателем в тангенциальных направлениях. Твердость модифицированного лесоматериала (его радиальных и тангенциальных поверхностей) обычно приблизительно в

1,4-2,3 раза выше, чем твердость натуральной древесины. В таблице, приведенной ниже, представлено сравнение строительных лесоматериалов (на основе мягкой древесины) с модифицированным лесоматериалом согласно изобретению.

	Ламинированный фанерный пиломатериал (ЬУЬ)	Сортовой прочный пиломатериал (ТЗО)	съи-ЬАМ Ь-40	Модифицированный лесоматериал (предлагаемый)
Допустимая нагрузка, МПа:
при изгибе	18	11	14	16-20
при сдвиге	1/7	1,0	1,2	1,4-1,7
МОЕ	10000	7000	8400	9000-10000
Практически возможные максимальные размеры, мм:
длина	Неограничена	6000	30000	6500
толшина	75	150	150	200
ширина	1200	225	2000	200

В таблице показано, что модифицированный древесный материал согласно изобретению обладает хорошими прочностными показателями и практическими характеристиками в сравнении с другими материалами на основе древесины.

Следует иметь в виду, что параметры процессов первоначальной микроволновой модификации древесины, сушки модифицированной древесины, импрегнирования древесины и окончательной обработки древесины давлением можно изменять в зависимости, например, от свойств древесины, исходного содержания влаги в древесине, размеров обрабатываемых пиломатериалов, свойств клеящего компонента и требований, предъявляемых к готовому материалу. Следует также иметь в виду, что начальная микроволновая обработка может быть приложена ко всему изделию или микроволновая обработка может быть приложена к предварительно определенным сегментам изделия. Предварительно определенные сегменты изделия могут включать наружные части древесины. Это означает, что средняя часть древесины может остаться необработанной. В альтернативном варианте выполнения древесина может быть подвергнута микроволновой обработке в зонах, расположенных вдоль ее продольного направления, так что готовый модифицированный лесоматериал будет содержать участки высокой и низкой прочности вдоль его продольного направления.

Изобретением также создан альтернативный способ изготовления модифицированного лесоматериала низкой плотности, включающий следующие этапы: модификацию влажной древесины путем воздействия на древесину микроволновым излучением, обладающим микроволновой энергией, составляющей 100-4000 Дж/см³, и частотой (ί) 0,1-10 ГГц, в течение 0,1-100 с для образования множества каверн, расположенных в радиально-продольных плоскостях древесины, причем, по меньшей мере, некото рые из каверн взаимно соединены каналами, расположенными в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях древесины; сушку модифицированной древесины; импрегнирование модифицированной древесины клеящим компонентом.

Варианты выполнения настоящего изобретения описаны далее со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено на фиг. 1 и 2 - виды спереди модифицированного лесоматериала согласно вариантам выполнения изобретения;

на фиг. 3 - технологическая схема линии изготовления модифицированного лесоматериала.

Образцы а), Ь), с) и б), е), ί) (см. фиг. 1) имеют поперечные сечения (по стрелкам А и В) в радиальном и тангенциальном направлениях. Образцы а) и б) являются влажной натуральной древесиной с ксилемной лучевой тканью 10. После микроволновой модификации образец Ь) содержит каверны 12, расположенные в радиально-продольных плоскостях, образованные в результате разрушения и расширения участков ксилемы между сердцевинными лучами, в результате чего объем древесины увеличивается вплоть до 15%. Размер 12 больше размера 11. После импрегнирования каверны заполняются клеящим компонентом, например полимером. После прессования в тангенциальном направлении получается модифицированный лесоматериал (образец с)) с закрытыми кавернами 14. Размер 13 равен размеру 11 после прессования. Кроме того, в зависимости от степени прессования тангенциальный размер лесоматериала может быть больше или меньше размера 11 натурального образца древесины. Прочностные свойства модифицированного лесоматериала (образец с)) выше аналогичных показателей натуральной древесины (образец а)).

В образце б) подвергли микроволновой модификации только наружные слои, в результате чего образец е) содержит каверны 12 в поверхностных слоях с обеих сторон. После импрегнирования и прессования получен модифицированный лесоматериал (образец ί)) с более высокими прочностными свойствами на изгиб, если нагрузку к нему прикладывали в тангенциальном направлении. Обработанные поверхности также обладают более высокой твердостью, чем необработанная древесина.

Вообще, можно сделать каверны различных размеров в поперечном направлении древесины для получения модифицированного лесоматериала с заданными прочностными свойствами. Закрытые каверны сообщают древесине более высокую стабильность размеров.

Образец д) (см. фиг. 2) является влажной натуральной древесиной с ксилемной лучевой тканью 16. После микроволновой модификации зон 18 (образец 11)) древесина содержит каверны 20 в радиально-продольных плоскостях. После импрегнирования и прессования получают мо005058 дифицированный лесоматериал с закрытыми кавернами 22 (образец ί)) и зоны 24 с более высокими прочностными свойствами в сравнении с натуральной древесиной (образец д)).

Технологическая линия содержит микроволновую установку 26 (см. фиг. 3) для модификации древесины 28; ванну 30 с полимером для пропитки древесины полимером; пресс 32 непрерывного или периодического действия для прессования древесины и подачи его для пропитки полимером; поперечный конвейер 34 для транспортировки древесины вдоль ванны; опционный предварительный пресс 36 для удаления избыточного количества полимера; горячий пресс 38 для склеивания; распиловочное устройство 40 и склад 42 готовой продукции.

Изобретение далее пояснено со ссылками на вариант выполнения, приведенный только в качестве примера, и его ни в коей мере не следует рассматривать как ограничение объема изобретения.

Пример 1.

Исходные данные:

Поперечные размеры пиломатериала (низкосортная ядровая древесина сосны) 100х100 мм

Длина 4-6,5 м

Содержание влаги 35-40%

Содержание влаги перед импрегнированием 10-13%

Пиломатериал 28 (см. фиг. 3) модифицировали в микроволновой установке.

Параметры обработки: частота - 0,922 ГГц; микроволновая мощность - 42 кВт; скорость питания - 12 мм/с.

После микроволновой обработки содержание влаги в пиломатериале составляло 10-12% и не требовалось специальной сушки. Обработанный пиломатериал содержал множество каверн, расположенных в радиально-продольных плоскостях, образованных в результате разрушения и расширения участков ксилемы между сердцевинными лучами, и благодаря чему получали древесину, обладающую очень высокой проницаемостью. Толщина лесоматериала в тангенциальном направлении увеличилась до 110 мм.

С помощью пресса 32 непрерывного действия удаляли воздух из каверн для облегчения импрегнирования и для подачи материала в ванну 30, содержащую полимер ЯиЫиа1е 1840. Поперечным конвейером 34 транспортировали модифицированный лесоматериал вдоль ванны в течение 30-90 мин для достижения хорошего проникновения полимера в лесоматериал.

После пропитки предварительным прессом 36 удаляли избыточное количество полимера из лесоматериала и горячим прессом 38 прессовали материал до толщины 100 мм для получения модифицированного лесоматериала точно того же поперечного сечения, который имел исходный лесоматериал. Температура горячего пресса составляла 120-130°С, время обработки - 85-180 мин.

После прессования модифицированный лесоматериал обладал прочностными свойствами, в 1,4-1,9 раза превышающими аналогичные показатели натуральной древесины.

Производственный процесс для обработки твердой древесины аналогичен описанному выше, но если исходное содержание влаги составляет 80-100%, то после микроволновой обработки содержание влаги может составлять 4050%. Для снижения содержания влаги до 1013% древесину предпочтительно просушить. Для этого можно использовать ту же микроволновую установку, но в этом случае сушка может быть более дорогостоящим процессом в сравнении с обычной сушкой. По экономическим соображениям сушку материала обычно выполняют в конвекционной сушильной камере при температуре 100-120°С.

Кроме того, импрегнирование некоторых видов твердой древесины путем замачивания может занимать продолжительное время, и поэтому предпочтительно применять импрегнирование под давлением.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что изобретением, описанным здесь, предусмотрены изменения и модификации, отличные от описанных здесь. Следует иметь в виду, что изобретение включает все такие изменения и модификации. Изобретение также включает все этапы, особенности, композиции и составы, на которые сделаны ссылки или которые определены в настоящей заявке, отдельно или в сочетаниях, и любые и все сочетания любых двух или большего числа упомянутых этапов или отличительных особенностей.

В настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения, если контекст не требует иного, под словом «содержит» и его вариантами, например «содержание», «содержащий», следует понимать включение указанного целого или этапа или группы целых или этапов, а не исключение какого-либо другого целого или этапа или группы целых или этапов.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ изготовления модифицированного лесоматериала, включающий следующие этапы:

модификацию влажной древесины путем воздействия на древесину микроволновым излучением, обладающим микроволновой энергией 100-4000 Дж/см³ и частотой (ί) 0,1-10 ГГц, в течение 0,1-100 с для образования множества каверн, расположенных в радиально-продольных плоскостях древесины, причем по меньшей мере часть из каверн взаимно соединена каналами в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях древесины;

сушку модифицированной древесины;

импрегнирование модифицированной древесины клеящим компонентом;

приложение давления к импрегнированной древесине, по меньшей мере, для частичного закрывания каверн и каналов, образованных во время этапа модификации, и для склеивания древесных волокон клеящим компонентом.
2. Способ по п.1, в котором во время этапа модификации под воздействием микроволновой обработки осуществляют разрыв мембран клеток и стенок древесины, при этом, если древесина представляет собой твердые породы древесины, в результате микроволновой обработки разрушаются тилозы в сосудах древесины.
3. Способ по п.1, в котором во время этапа модификации объем древесины увеличивается вплоть до 15% (в сравнении с объемом сухой древесины).
4. Способ по п.1, в котором на этапе сушки древесину сушат путем приложения микроволновой обработки, путем конвекционной сушки или другими способами.
5. Способ по п.1, в котором на этапе импрегнирования древесину импрегнируют путем замачивания или путем импрегнирования под давлением в автоклаве.
6. Способ по п.1, в котором на этапе приложения давления давление прикладывают к импрегнированной древесине, главным образом, в тангенциальном направлении древесины.
7. Способ по п.1, в котором клеящий компонент представляет собой полимер, выбранный из группы, включающей дифенилметандиизоцианат, полимеры на основе формальдегида, например фенолформальдегид и меламинформмочевина; быстро фиксирующиеся полимеры или клеящие вещества, например крахмал и казеин.
8. Способ по п.1, в котором в клеящий компонент включают по меньшей мере один дополнительный компонент, причем дополнительный компонент выбирают из веществ, обеспечивающих огнестойкость, устойчивость к грибкам, насекомым, стойкость к воде, из химических модифицирующих агентов, которыми улучшают стабильность древесины, и из окрашивающих агентов.
9. Способ по п.1, в котором модифицированный лесоматериал содержит около 1-40% клеящего компонента от массы древесины в сухом состоянии.
10. Способ по п.1, в котором во время этапа приложения давления к различным частям импрегнированной древесины прикладывают различные давления для создания материала, имеющего желаемую форму.
11. Способ по п.1, в котором на этапе модификации микроволновому облучению под вергают все изделие целиком или предварительно заданные сегменты изделия.
12. Способ по п.11, в котором предварительно заданные сегменты включают наружные части изделия.
13. Способ по п.11, в котором древесину подвергают микроволновому облучению в зонах вдоль ее продольного направления так, чтобы готовый модифицированный лесоматериал включал зоны, обладающие различными свойствами вдоль его продольного направления.
14. Модифицированный лесоматериал, изготовленный способом по п.1.
15. Способ изготовления модифицированного лесоматериала низкой плотности, включающий следующие этапы:

модификацию влажной древесины путем воздействия на древесину микроволновым излучением, обладающим микроволновой энергией 100-4000 Дж/см³ и частотой (1) 0,1-10 ГГц, в течение 0,1-100 с для образования множества каверн, расположенных в радиально-продольных плоскостях древесины, причем по меньшей мере часть из каверн взаимно соединена каналами в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях древесины;

сушку модифицированной древесины; импрегнирование модифицированной древесины клеящим компонентом.
16. Модифицированный лесоматериал низкой плотности, изготовленный способом по п.15.
17. Модифицированный лесоматериал, содержащий множество прожилок, расположенных в радиально-продольных плоскостях модифицированного лесоматериала, в котором прожилки содержат клеящий компонент, посредством которого склеивают древесные волокна модифицированного лесоматериала между собой и формуют путем приложения давления к модифицированной древесине, содержащей множество открытых каверн в ее радиальнопродольных плоскостях, импрегнированных клеящим компонентом, причем, по меньшей мере, некоторые из каверн взаимно соединены каналами в радиальном, тангенциальном и/или продольном направлениях модифицированной древесины.
18. Лесоматериал по п.17, в котором клеящий компонент представляет собой полимер, выбранный из группы, включающей дифенилметандиизоцианат, полимеры на основе формальдегида, например фенолформальдегид и меламинформ-мочевина; быстро фиксирующиеся полимеры или клеящие вещества, например крахмал и казеин.
19. Лесоматериал по п.17, содержащий около 1-40% клеящего компонента от массы древесины в сухом состоянии.