PL195614B1 - Sposób modyfikowania powierzchni drewna - Google Patents

Abstract

1.Sposób modyfikowania powierzchni drewna, przy czym naprzeciw modyfikowanej powierzchni drewna umieszcza sie elektrode, do elektrody przyklada sie przemienne wysokie napiecie, wywolujace pod cisnieniem atmosfe- rycznym wyladowanie pomiedzy powierzchnia drewna i elektroda, przy czym pomiedzy elek- troda i modyfikowana powierzchnia drewna umieszcza sie warstwe dielektryczna i przykla- da przemienne wysokie napiecie o czestotliwo- sci wiekszej niz 600 Hz, znamienny tym, ze drewniany element (6), zawierajacy powierzch- nie drewna (7) do modyfikacji, stosuje sie jako przeciwelektrode (2) elektrody (1). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikowania powierzchni drewna, przy czym naprzeciw modyfikowanej powierzchni drewna umieszcza się elektrodę, do elektrody przykłada się przemienne wysokie napięcie, wywołujące pod ciśnieniem atmosferycznym wyładowanie pomiędzy powierzchnią drewna i elektrodą.

Sposób opisanego na wstępie rodzaju modyfikowania powierzchni, za pomocą wyładowań elektrycznych pod ciśnieniem atmosferycznym jest znany z amerykańskiego opisu patentowego nrUS 5 215 637. Ten dokument zajmuje się w zasadzie polepszaniem przyczepnych właściwości powierzchni z tworzyw sztucznych względem klejów, farb, powłok, itp. Należy jednak nadmienić, żew podobny sposób obróbce można poddawać także i inne przedmioty o wysokiej stałej dielektrycznej, takie jak ceramika, tektura, papier i drewno. W znanym sposobie, przedmiot z modyfikowaną powierzchnią umieszcza się pomiędzy parą płyt elektrodowych, do których przykłada się przeciwne naprzemienne wysokie napięcia 125000 V, przy czym różnica napięć spada poprzez szczelinę powietrzną około 40 cm pomiędzy płytami elektrod. Częstotliwość przemiennego wysokiego napięcia wynosi 60 Hz. Dzięki przyłożonym przemiennym wysokim napięciom wywołuje się wyładowanie ulotowe pod ciśnieniem atmosferycznym, które działa na modyfikowaną powierzchnię. Wyładowanie ulotowe ma w przekroju poprzecznym szczeliny powietrznej pomiędzy płytami elektrod grubą strukturę przewodzącej plazmy. Aby przewodzącą plazmę przy wyładowaniu ulotowym rozłożyć równomiernie na przekroju szczeliny powietrznej pomiędzy płytami elektrod, płyty elektrod są wyposażone w perforowane polietylenowe osłony. Perforacje odpowiadają wtedy w danym przypadku odcinkowi wyładowania pomiędzy obydwiema płytami elektrod. Mimo to w znanym sposobie dochodzi jednak, na skutek oddziaływania plazmy, do stosunkowo nierównomiernej modyfikacji modyfikowanej powierzchni. Ma to miejsce zwłaszcza wtedy, gdy faktycznie powierzchnię drewna poddaje się obróbce znanym sposobem, ponieważ drewno ma typowo niejednorodną strukturę tak, że jego właściwości dielektryczne nie rozkładają się równomiernie. Oznacza to, że w wyniku tego niektóre obszary powierzchni drewna są poddawane wyraźnie silniejszej modyfikacji niż inne.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 197 18 287 C1 jest znany sposób modyfikowania powierzchni drewna, w którym prowadzi się warstwową obróbkę ubytkową. W tym celu modyfikowaną powierzchnię ogrzewa się miejscowo promieniowaniem o wysokiej energii tak, że cienka warstwa drewna nagrzewa się nagle tak silnie, że znaczna część tak nagrzanej objętości drewna również nagle odparowuje i przechodzi do plazmy. Jako promieniowanie o wysokiej energii bierze się przy tym pod uwagę zwłaszcza promieniowanie laserowe. Przy obróbce większych powierzchni drewna nakłady na aparaturę w celu realizacji tego znanego sposobu są bardzo wysokie. Aby zapobiec niepożądanemu nagrzewaniu obrabianego elementu w całej jego objętości, można z zasadniczych względów w danej chwili poddawać obróbce tylko bardzo małą część powierzchni drewna.

Stąd celem wynalazku jest opracowanie sposobu, za pomocą którego modyfikowaną powierzchnię drewna można modyfikować równomiernie i który jednocześnie można realizować także iprzy wielkich powierzchniach drewna w akceptowalnych okresach czasu i przy akceptowalnych kosztach.

Sposób modyfikowania powierzchni drewna, przy czym naprzeciw modyfikowanej powierzchni drewna umieszcza się elektrodę, do elektrody przykłada się przemienne wysokie napięcie, wywołujące pod ciśnieniem atmosferycznym wyładowanie pomiędzy powierzchnią drewna i elektrodą, przy czym pomiędzy elektrodą i modyfikowaną powierzchnią drewna umieszcza się warstwę dielektryczną i przykłada przemienne wysokie napięcie - o częstotliwości większej niż 600 Hz, charakteryzuje się według wynalazku tym, że drewniany element, zawierający powierzchnię drewna do modyfikacji, stosuje się jako przeciwelektrodę wspomnianej elektrody.

Korzystnie, drewniany element, zawierający modyfikowaną powierzchnię drewna uziemia się.

Korzystnie, drewniany element, zawierający modyfikowaną powierzchnię drewna przesuwa się na przenośniku taśmowym z materiału dielektrycznego nad płaską przeciwelektrodą umieszczoną równolegle do płaskiej elektrody.

Korzystnie, elektrodę przesuwa się względem drewnianego elementu, zawierającego modyfikowaną powierzchnię drewna, równolegle do modyfikowanej powierzchni drewna, przy czym zwłaszcza powierzchnia elektrody, zwrócona do modyfikowanej powierzchni drewna jest mała w porównaniu z modyfikowaną powierzchnią drewna.

PL 195 614 B1

Korzystnie, powierzchnia elektrody ma takie wymiary względem modyfikowanej powierzchni drewna, że modyfikowana powierzchnia drewna pokrywa co najmniej 90% powierzchni przekroju poprzecznego wyładowania.

Korzystnie, przykłada się przemienne wysokie napięcie o częstotliwości od 5 do 3000 kHz, przy czym zwłaszcza przemienne wysokie napięcie składa się z pojedynczych impulsów wysokiego napięcia, których odstęp jest większy niż czas ich trwania.

Korzystnie, przykłada się przemienne wysokie napięcie o zmiennej biegunowości.

Korzystnie, elektrodę z warstwą dielektryczną umieszcza się w odstępie równym od 1do 25 mm od modyfikowanej powierzchni drewna.

Z pierwszej cechy nowego sposobu wynika, że wywołuje się dielektrycznie zahamowane wyładowanie, które oddziałuje na modyfikowaną powierzchnię drewna. W porównaniu z wyładowaniem ulotowym dielektrycznie zahamowane wyładowanie odznacza się w zasadzie wyraźnie drobniejszym rozkładem plazmy, to jest faktycznych obszarów wyładowania na całym objętym wyładowaniem przekroju. Także i przemienne wysokie napięcie o częstotliwości większej niż 600 Hz przyczynia się do drobniejszego rozkładu plazmy. Na ogół nastawia się w ten sposób pożądaną jednorodną modyfikację powierzchni drewna. Jednocześnie ograniczone są koszty realizacji nowego sposobu. Zużycie energii jest rzędu 1kWh na m² powierzchni drewna i można je na tej podstawie ocenić jako stosunkowo nieznaczne.

Nowy sposób nadaje się nie tylko do polepszania przyczepności najróżniejszych powłok do powierzchni drewna, co już obejmuje powlekanie klejem, a przez to i sklejanie, względnie łączenie na klej całej powierzchni drewna. Modyfikację powierzchni drewna można przeprowadzić także jako etap uszlachetniania powierzchni drewna bezkońcowego powlekania powierzchni drewna. Do tego należy na przykład usuwanie luźnych albo uszkodzonych części powierzchni drewna, tak jak jest to wymagane po piłowaniu albo odnawianiu obrabianych elementów z drewna. Sposobem według wynalazku można przeprowadzić także konserwację powierzchni drewna.

Aby drogą modyfikacji powierzchni drewna uzyskać pożądane efekty, atmosfera, w której wywołuje się wyładowanie pomiędzy powierzchnią drewna i elektrodą, może być zmodyfikowana, w porównaniu z normalnym powietrzem, dodatkiem określonych gazów. Ma to miejsce zwłaszcza wtedy, gdy te gazy mają być wprowadzone do modyfikowanej powierzchni drewna. Pożądane w danym przypadku mieszaniny gazów można po prostu wdmuchiwać w strefę wyładowania, ponieważ odbywa się to pod ciśnieniem atmosferycznym. Zresztą w nowym sposobie nie występuje obciążenie cieplne powierzchni drewna, a temperatura gazu w obszarze wyładowania nie wzrasta w sposób godny uwagi ponad temperaturę pokojową.

W nowym sposobie element drewniany, który ma modyfikowaną powierzchnię można uziemiać jako przeciwelektrodę względem elektrody. Oznacza to, że do realizacji nowego sposobu obok samego drewnianego przedmiotu, który ma modyfikowaną powierzchnię, konieczna jest tylko jedna dalsza elektroda. Właściwości przewodnictwa drewna są wystarczające do wykonania z niego przeciwelektrody.

Drewniany element, który ma modyfikowaną elektrodę, można jednak umieścić także na płaskiej przeciwelektrodzie umieszczonej równolegle do płaskiej elektrody. W takim przypadku drewniany element działa jak druga warstwa dielektryczna przed przeciwelektrodą. Oznacza to, że przeważają tu właściwości dielektryczne drewna nad jego przewodnością.

W korzystnym rozwiązaniu nowego sposobu drewniany element, który ma modyfikowaną powierzchnię drewna, przesuwa się na przenośniku taśmowym z dielektrycznego materiału nad płaską przeciwelektrodą umieszczoną równolegle do płaskiej elektrody. Przy tym obydwie elektrody, to jest elektroda umieszczona naprzeciw modyfikowanej powierzchni drewna i przeciwelektroda, nie znajdują się w ruchu, a przedmiot drewniany transportuje się pomiędzy nimi. Przenośnik taśmowy drewnianego elementu służy przy tym jednocześnie jako warstwa dielektryczna przed przeciwelektrodą.

Przy modyfikowaniu bardzo dużych powierzchni drewna korzystne jest, aby elektroda przesuwała się względem drewnianego elementu, który ma modyfikowaną powierzchnię, a mianowicie równolegle do modyfikowanej powierzchni drewna. Względne przesuwanie się elektrody i modyfikowanej powierzchni drewna może odbywać się albo drogą przesuwania drewnianego elementu, który ma modyfikowaną powierzchnię, albo samej elektrody.

Gdy powierzchnia elektrody zwrócona do modyfikowanej powierzchni drewna jest mała w porównaniu z modyfikowaną powierzchnią drewna, to w określonych warunkach wyładowania można także przesuwać powierzchnie drewna z ostrymi konturami, aby przeprowadzić wymaganą modyfikację powierzchni drewna.

PL 195 614 B1

W przypadku nowego sposobu, powierzchnia elektrody względem modyfikowanej powierzchni drewna ma takie wymiary, że modyfikowana powierzchnia drewna pokrywa co najmniej 90% powierzchni przekroju wyładowania. Mówiąc inaczej, w nowym sposobie wykorzystuje się możliwie całkowicie moc wyładowania do wymaganej modyfikacji powierzchni drewna i możliwie mało mocy wyładowania jest użyte obok modyfikowanej powierzchni drewna, to jest bezpośrednio pomiędzy elektrodą i przeciwelektroda.

Aby uzyskać szczególnie dobry rozkład plazmy z wyładowania na modyfikowanej powierzchni drewna, w nowym sposobie przykłada się przemienne wysokie napięcie korzystnie o częstotliwości ponad 5 kHz, a zwłaszcza od 10 do 3000 kHz.

Szczególnie korzystne jest przy tym, gdy przemienne wysokie napięcie składa się z pojedynczych impulsów wysokiego napięcia, których odstęp jest większy niż czas ich trwania. W ten sposób odstęp pojedynczych impulsów wysokiego napięcia może odpowiadać częstotliwości w zakresie od 10 do 20 kHz, podczas gdy czas trwania pojedynczych impulsów wysokiego napięcia ma zakres częstotliwości aż do obszaru ponad 500 kHz.

Gdy w nowym sposobie przemienne wysokie napięcie przykłada się do elektrody przy zmiennej biegunowości, to jest zakłócona struktura ładunków zarówno na warstwie dielektrycznej przed elektrodą, jak i na modyfikowanej powierzchni drewna.

Odstęp elektrody z warstwą dielektryczną od modyfikowanej powierzchni drewna wynosi w nowym sposobie typowo od 1do 25 mm. Oznacza to, że ten odstęp nie jest punktem krytycznym, przy czym rozumie się jednak, że ze zwiększającym się odstępem musi zwiększać się wielkość przemiennego wysokiego napięcia. Typowe wartości dla przemiennego wysokiego napięcia wynoszą w przypadku pojedynczych impulsów wysokiego napięcia od 30 do 50 kV. Przy sinusoidalnym wysokim napięciu, którego obszar częstotliwości może wynosić także powyżej 100 kHz, na przykład od 100 do 3000 kHz, przemienne wysokie napięcie wynosi typowo od 10 do 15 kV.

Sposób według wynalazku będzie w dalszym tekście bliżej wyjaśniony i opisany za pomocą przykładów wykonania, uwidocznionych na rysunku, którego fig. 1 przedstawia pierwszy podstawowy układ do realizacji sposobu, a fig. 2 - drugi podstawowy układ do realizacji nowego sposobu.

Na figurze 1 przedstawiono płaską, to jest w postaci płyty elektrodę 1 i również płaską, to jest w postaci płyty przeciwelektrodę 2, które są umieszczone równolegle względem siebie. Przed elektrodą 1 znajduje się warstwa dielektryczna 3. Nad przeciwelektrodą 2 biegnie przenośnik taśmowy 4 z dielektrycznego materiału 5. Na przenośniku taśmowym 4jest położony drewniany element 6, którego jedna powierzchnia 7jest skierowana do warstwy dielektrycznej 3 względnie elektrody 1. Przy tym pomiędzy dielektryczną warstwą 3 i powierzchnią drewna 7 występuje odstęp 8. Gdy przeciwelektroda2 jest połączona z ziemią 9, to elektroda 1 jest połączona z zasilaczem sieciowym wysokiego napięcia 10. Zasilacz sieciowy wysokiego napięcia 10 jest oparty na technice półprzewodnikowej, jest dostępny w handlu i ma zarówno wysoką sprawność od 80do 90%, jak i stosunkowo niskie koszty wytwarzania. Za pomocą zasilacza sieciowego wysokiego napięcia 10do elektrody 1 przykłada się przemienne wysokie napięcie, które pomiędzy warstwą dielektryczną 3 i powierzchnią drewna 7 wywołuje pod ciśnieniem atmosferycznym dielektrycznie zahamowane wyładowanie 11. Rozkład plazmy12 w obszarze wyładowania dielektrycznego 11 jest po pierwsze spowodowany faktem, że wyładowanie elektryczne 11 jest zahamowane dielektrycznie, a po drugie faktem, że przemienne wysokie napięcie, które przykłada się do elektrody 1jest co najmniej rzędu 1kHz i tak jednorodne, że ma miejsce równomierne oddziaływanie nad powierzchnią 7 drewnianego elementu 6.

Zgodnie z fig. 2 elektroda 1jest pod względem swojej powierzchni skierowanej do powierzchni drewna 7 tylko mała i jest całkowicie otoczona przez warstwę dielektryczną 3. Przy tym przewiduje się, że elektroda 1 będzie przesuwać się równolegle do powierzchni drewna 7, co jest zaznaczone strzałkami 13 do 15. Zatem powierzchnia drewna 7 jest „obmacywana” przez elektrodę 1, aby pomimo istniejącego tu, odciśniętego zarysu 16 modyfikować równomiernie we wszystkich obszarach. Dalej, konstrukcja z fig. 2 różni się od konstrukcji z fig. 1tym, że nie jest tu umieszczona żadna oddzielna przeciwelektroda 2 z umieszczonym przed nią materiałem dielektrycznym 5, a raczej element drewniany jest tu bezpośrednio połączony z ziemią 9 i przejmuje w ten sposób funkcję przeciwelektrody 2 i materiału dielektrycznego 5 z fig. 1.

Odstęp 8 według fig. 1i 2 może wynosić od 1 do 25 mm, obejmuje typowo zakres kilku milimetrów i do niego odnoszą się następujące dane przemiennych wysokich napięć, za pomocą których wypróbowano z powodzeniem nowy sposób.

PL 195 614 B1

W pierwszym przypadku chodzi o sinusoidalne przemienne wysokie napięcie od 10 do 15 kV o częstotliwości od 100 kHz do 3 MHz.

W drugim przypadku, w którym uzyskuje się szczególnie dobre wyniki przy modyfikowaniu powierzchni drewna 7, chodzi o przemienne stałe napięcie z pojedynczych impulsów wysokiego napięcia od 40 do 50 kV z czasem trwania impulsu 2 μs, co odpowiada częstotliwości 500 kHz i częstotliwości ciągu impulsów od 10 do 17 kHz. Oznacza to, że w przypadku impulsów wysokiego napięcia czas trwania impulsów wysokiego napięcia był o wiele krótszy niż ich odstęp czasowy. W przypadku impulsów wysokiego napięcia ciągi impulsów miały korzystnie naprzemienną biegunowość na elektrodzie 1.

Korzyści osiągane nowym sposobem modyfikowania powierzchni drewna będą wyjaśnione wdalszym tekście za pomocą poszczególnych przykładów zastosowania.

Oczyszczanie

Nowym sposobem można usuwać z modyfikowanej powierzchni drewna 7 cienką warstwę drewna, której struktura została zniszczona przez poprzednią obróbkę mechaniczną i która ma, dlatego tylko luźny związek z drewnem masywnym. Przez tego rodzaju mechaniczną obróbkę należy rozumieć na przykład proces piłowania, na skutek którego powstała modyfikowana powierzchnia drewna. Obok oczyszczania powierzchni drewna 1 sposobem według wynalazku otwiera się także pory pomiędzy włóknami drewna.

Klejenie

Nowym sposobem usuwa się z powierzchni drewna 7, jak już opisano przy oczyszczaniu, cienką warstwę drewna uszkodzoną na skutek wstępnej obróbki mechanicznej i zmienia fizycznei chemiczne właściwości powierzchni w taki sposób, że uzyskuje się lepsze połączenie kleju i masywnego drewna, a przez to wyższą wytrzymałość połączenia klejowego. Na skutek złej wytrzymałości czołowych połączeń klejowych drewna, na przykład drewna klejonego, konieczne jest wtedy złącze na zazębienie (złącze na wczep). Przez modyfikację według wynalazku powierzchni drewna 7 można tu uzyskać wyższą wytrzymałość połączenia klejowego, tak, że w zależności od obciążenia można zrezygnować ze złącza elementów drewnianych na zazębienie. W zależności od zarysu modyfikowanej powierzchni przed obróbką według wynalazku można przed sklejaniem drewna klejonego zrezygnować z poprzedzającego etapu strugania.

Powlekanie

Jak opisano przy oczyszczaniu, nowym sposobem usuwa się cienką warstwę drewna, której struktura została zniszczona uprzednią obróbką mechaniczną i która ma dlatego tylko luźny związek zdrewnem masywnym. Dodatkowo otwiera się pory pomiędzy włóknami drewna, przez co lepiej zakotwicza się powłoki, na przykład powłoki malarskie.

Poza tym pomiędzy elektrodę 1i przeciwelektrodę 2 można wprowadzić reaktywne gazytak, że drewno z plazmy 12 poddaje się powlekaniu względnie reakcji chemicznej. Tak naniesione powłoki względnie tak wywołane reakcje chemiczne mogą już stanowić obróbkę końcową modyfikowanej powierzchni drewna 7.

Konserwacja

Przez modyfikację według wynalazku powierzchni drewna 7można wpływać na jej podatność na zwilżanie. Przez wyładowanie impulsowe można uzyskać także zagęszczenie powierzchni drewna 7.Od gęstości 1,4 g/cm³ można już zapobiegać w znacznym stopniu wchłanianiu wody na powierzchni drewna 7. W ten sposób pojawia się bardzo przyjazna dla środowiska metoda konserwacji drewna.

Bielenie

Przy białej powłoce malarskiej na powierzchniach drewna w powłokę malarską wchodzą często składniki drewna tak, że biała powłoka malarska żółknie i z czasem stają się widoczne także brunatne plamy. Przez modyfikację według wynalazku powierzchni drewna 7 składniki drewna, które są odpowiedzialne za te skutki, wybiela się względnie unieruchamia, zanim na powierzchnię drewna naniesie się białą farbę. W tym celu sposób według wynalazku należy tak zmodyfikować, aby do obszaru dielektrycznie zahamowanego wyładowania wprowadzić tlen. Dzięki wyładowaniu wytwarza się wtedy tlen atomowy i ozon, które służą do bielenia niepożądanych składników drewna. To działanie bielące można uzyskać także przez wytwarzanie w dielektrycznie zahamowanym wyładowaniu światła nadfioletowego. Jednocześnie przez wybór innych parametrów można postarać się, aby nie występowało utlenianie samej powierzchni drewna.

Claims (10)

1. Sposób modyfikowania powierzchni drewna, przy czym naprzeciw modyfikowanej powierzchni drewna umieszcza się elektrodę, do elektrody przykłada się przemienne wysokie napięcie, wywołujące pod ciśnieniem atmosferycznym wyładowanie pomiędzy powierzchnią drewna i elektrodą, przy czym pomiędzy elektrodą i modyfikowaną powierzchnią drewna umieszcza się warstwę dielektryczną i przykłada przemienne wysokie napięcie o częstotliwości większej niż 600 Hz, znamienny tym, że drewniany element (6), zawierający powierzchnię drewna (7) do modyfikacji, stosuje się jako przeciwelektrodę (2) elektrody (1).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że drewniany element (6), zawierający modyfikowaną powierzchnię drewna (7) uziemia się.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że drewniany element (6), zawierający modyfikowaną powierzchnię drewna (7) przesuwa się na przenośniku taśmowym (4) z materiału dielektrycznego (5) nad płaską przeciwelektrodą (2) umieszczoną równolegle do płaskiej elektrody (1).

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że elektrodę (1) przesuwa się względem drewnianego elementu (6), zawierającego modyfikowaną powierzchnię drewna (7) równolegle do modyfikowanej powierzchni drewna (7).

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że powierzchnia elektrody (1) zwrócona do modyfikowanej powierzchni drewna (1) jest mała w porównaniu z modyfikowaną powierzchnią drewna (7).

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia elektrody (1) ma takie wymiary względem modyfikowanej powierzchni drewna (7), że modyfikowana powierzchnia drewna (7) pokrywa co najmniej 90% powierzchni przekroju poprzecznego wyładowania (11).

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przykłada się przemienne wysokie napięcie o częstotliwości od 5 do 3000 kHz.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że przemienne wysokie napięcie składa się z pojedynczych impulsów wysokiego napięcia, których odstęp jest większy niż czas ich trwania.

9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że przykłada się przemienne wysokie napięcie o zmiennej biegunowości.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrodę (1) z warstwą dielektryczną (3) umieszcza się w odstępie (8) równym od 1do 25 mm od modyfikowanej powierzchni drewna (7).