Пропитка, сушка и прессование древесины

При изучении этого раздела следует понимать, что пропитка с торца под давлением является важнейшей операцией при следующих видах обработки древесины: а) пластификация, б) антисептирование, в) антипирирование, г) крашение и изменение текстуры, д) придание антифрикционных свойств, е) увеличение теплопроизводности, ж) упрочнение.

Процессы пропитки постоянно совершенствуется и за последние 7 лет с момента выхода учебного пособия появились новые способы, которые приведены ниже:

Модель пропитки древесины с торца под давлением

Разработка оптимальных технологических режимов пропитки древесины с торца под давлением невозможна без учета макро и микроскопического строения древесины.

При производстве прессованной древесины (марки дестем) в качестве основы используют древесину главным образом мягких лиственных пород- березы, ольхи, осины.

Древесина данных пород сложное пористо- сосудистое строение, характеризующееся наличием сосудов, сердцевинных лучей и различного рода микро и макрополостей (полости клеток), соединенных между собой системами пор.

В процессе пропитки древесины первоначально происходит заполнение крупных, макроскопических полостей, непосредственно связанных с окружающей средой, а затем раствор проникает в микрополости, связанные с макрополостями системами пор. Таким образом, на характер и степень пропитки основное влияние оказывают макрополости (сосуды).

Сосуды имеются только в древесине лиственных пород и представляют собой составленные из отдельных клеток – члеников длинные трубки с широкой полостью и относительно тонкими стенками. Эти элементы особенно хорошо приспособлены для передвижения воды вдоль ствола дерева.

Каждый сосуд слагается из отдельных клеток – члеников, у которых верхняя и нижняя стенки разрушились частично или полностью. Если образовалось одно (редко, два) круглое или овальное отверстие, то такая перфорация называется простой. При появлении ряда щелевидных отверстий перфорация называется лестничной. Сосуды с ярко выраженной лестничной перфорацией бывают у березы, ольхи. Сосуды с простой перфорацией бывают у осины.

Сосуды в стволе отклоняются от вертикали в тангенциальном и отчасти в радиальном направлениях. Благодаря концевым и промежуточным контактам сосудов создается единая пространственно разветвленная водопроводя-щая система.

Объём сосудов в древесине неодинаков; он зависит от породы древесины, плотности, условий произрастания и других факторов. Объём сосудов в древесине различных пород колеблется от 17 до 43%. Для древесных пород (березы, осины, ольхи) применяемых при производстве Дестама, объём сосудов в процентном соотношении в зависимости от плотности составляет для березы (плотность 640 кг/м³) – 24,7%, для осины (плотность 460 кг/м³) – 26,4%, для ольхи (плотность 540 кг/м³) – 29,0%.

   Подробнее остановимся на особенностях строения древесины березы, осины, ольхи как основных элементов исследования.

БЕРЕЗА

Древесина березы рассеяннососудистая, белого цвета, с легким желтоватым или красноватым оттенком. Сосуды среднего диаметра, относительно немногочисленные, равномерно распределены по всей ширине годичного слоя. Членики сосудов длинные, с острыми короткими или удлиненными клювиками. Перфорационные пластинки сосудов лестничные, расположены на боковых или косопоставленных поперечных стенках. Перекладины перфораций сосудов тонкие, по 16...30 (в среднем по 20...25) перекладин в перфорации.

 

ОСИНА

Сосуды очень многочисленные, тонкостенные, округлые или угловатые, равномерно рассеянные без определенного рисунка по всей ширине годичного слоя. Иногда просвет сосудов (на поперечном срезе) занимают до 50% площади среза. Членики сосудов короткие, с небольшими тупыми клювиками или без клювиков. Перфорационные пластинки между члениками наклонные, простые с одним круглым отверстием.

ОЛЬХА

Древесина рассеяннососудистая. Сосуды одного типа, не очень многочисленные, равномерно распределены по годичному кольцу, слегка уменьшаются в количестве и размерах в направлении к внешней границы, одиночные или в небольших радиальных цепочках и группах по 2...4 (7), в поздней древесине цепочки могут состоять из большого числа (до 15) просветов и непосредственно примыкать к крупным сосудам ранней древесины следующего годичного кольца. Членики сосудов тонкостенные короткие и средней длины (300...500 мкм) с небольшими закругленными или тупыми клювиками, клювики могут отсутствовать. Перфорационные пластинки простые на поперечных, часто скошенных стенках, реже на боковых.

Для описания процесса пропитки и определения времени пропитки нами была создана техническая модель древесины березы, ольхи и осины.

Техническая модель разрабатывалась с учетом экспериментальных данных, опубликованных в работах В.Е. Вихрова, Н.И. Никитина, Л.М. Перелыгина и наших данных, полученных, а результате замеров анатомических элементов на микрофотографиях.

Замеры анатомических элементов производились с помощью лупы с 24-х кратным увеличением и ценой деления 5 мкм. После измерения относительные размеры с помощью масштаба увеличения переводились в фактические. Техническая модель древесины березы, ольхи и осины представлена в табл. 1.

Древесина обладает сложной структурой, которой нельзя дать четкое математическое описание, поэтому появилась необходимость в создании упрощенной модели структуры древесины. Сосуды древесины лиственных пород можно представить в виде трубок, в которых присутствуют, перфорации. Представим, что перфорации отсутствуют и движение жидкости осуществляется по трубам сосудов, а далее по порам, соединяющим сосуды (рис. 1).

 

Таблица 1 - Техническая модель древесины мягких лиственных пород

№	Наименование	Ед. изм.	Порода
			Береза	Ольха	Осина
1	Количество сосудов на 1мм2	шт.	55–110	75–100	90–110
2	Длина сосуда	мм
3	Длина членика сосуда	мкм	600	300–500	400–800
4	Диаметр сосудов	мкм	40–100	60–100	60–100
5	Тип перфораций в сосуде		лестничн.	лестничн.	простая
6	Количество перекладин в перфорации	шт.	10–40	10–30	нет
7	Диаметр пор	мкм	3–5	2–6	2–4
Среднее значение		мкм	4	5	3
8	Толщина стенки сосуда	мкм	2,5–6,0	2–4,0	1,5–3
Среднее значение		мкм	4	3	2

 

 

 

1 – сосуд; 2 – лестничные перфорации; 3 – поры

Рисунок 1 - Схема пропитки древесины березы с торца под давлением

 

 

Существует ряд уравнений В.И. Патякина и П.С. Серговского для пропитки древесины под давлением, в которых за основу взято уравнение Дарси. В общем, виде уравнение Дарси выглядит следующим образом:

 

                                     i = kμ^-1 dp/dx,                                                  

 

где I – поток жидкости; к – коэффициент проницаемости; ар/ах – градиент даления.

На процесс пропитки древесины с торца под давлением влияние оказывают следующие факторы:

1) площади перфорации, диаметр и количества пор, длина заготовки;

2) вязкость пропитывающего раствора (выбор оптимальной вязкости способствует наиболее высокому и равномерному по всему объему наполнению древесины);

3) давление, при котором будет происходить процесс пропитки;

4) влажность древесины при пропитке: если влажность древесины высокая (равная или выше точки насыщения волокна), то влага, находясь в порах и сосудах древесины в жидкой и паровоздушной фазах, создает внутреннее гидростатическое противодавление, препятствующее продвижению пропитывающего раствора.

Т.е. τ = f(d, 1, Р, v).

При составлении уравнения мы использовали следующие ограничения:

1) пренебрегаем трением жидкости о стенки сосудов;

2) фронт пропитки движется строго по оси ствола;

3) принимаем поток ламинарным;

4) пропитка идет строго по сосудам и порам, соединяющие сосуды.

Время пропитки древесины с торца определяют по эмпирической формуле:

где к – коэффициент проницаемости древесины; μ- вязкость пропиточного раствора, Пас; 1₀ – длина сосуда, м; Sэф – эффективная площадь сосуда, м²; (d_эф – диаметр пор, м; l₁ толщина поры, равная двум толщинам стенки сосуда м; Р – давление, МПа.

Разность давлений при движении жидкости:

                                  (Ро – Рк)N = Рз – Ратм

 

где N – число повторяющихся элементов на длине образца;

P₀ и Р_з – заданное давление; Р_к и Р_атм – конечное и атмосферное давление.

                               N = L / (l + l₁)

 

Тогда разность давлений

 

Р_о – Р_k = ((Р_з – Р_атм)(l_о + l₁))L

 

Давление конечное определяется Р^* по формуле:

Р_о – Р_k = ((Р_з – Р_атм)(l_о + l₁))L

 

∆Р = Ро – Р* = Q μ l₀ / k₁ S₁

 

Р* = Ро – (Q μ l₀ / k₁ S)

 

   где L – длина образца, м; Q – расход раствора, м³/ч;

  Степень наполнения древесины будет зависеть от величины давления и времени выдержки древесины для фиксации раствора карбамида. Давление ускоряет процесс, а время выдержки определяет полноту и равномерность распределения пропитывающего раствора.

    Ранее разработанные способы пропитки не позволяют пропитывать с торца под давлением труднопропитываемые породы древесины, такие как сосна, ель, лиственница и др. Для пропитки таких пород разработан способ, позволяющий пропитывать практически любую породу древесины в виде цилиндрических заготовок длиной 3м.

Это достигается тем, что способ для пропитки древесины под давлением пропитывающей жидкостью сырых цилиндрических заготовок с торца реализован при помощи устройства, которое, снабжено смонтированной на станине металлической трубой, к торцам которой прикреплены конусные насадки, зажимающие между собой внутри трубы цилиндрическую заготовку. Причем внутри левой насадки установлен ультразвуковой излучатель, а правая насадка перемещается при помощи гидроцилиндра. Для предотвращения растрескивания заготовки в полость между трубой и заготовкой перед началом пропитки закачивается пропиточная жидкость под давлением, равным статическому давлению жидкости в рабочей головке. В качестве пропиточной жидкости используется маслянистый антисептик (ЖТК или каменноугольное масло) (рис.2).

На рис. 2 представлена общая схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит станину 1, с закрепленной на ней металлической трубой 2, левую конусную насадку 3, правую конусную насадку 4, ультразвуковой излучатель 5, емкость с пропиточной жидкостью 6, гидравлический насос 7, манометр 8, пневмогидравлический аккумулятор давления 9, гидропульсатор 10 с обратным клапаном, вспомогательный трубопровод 11, емкость для сбора воды 12, горизонтальный гидроцилиндр 13.

Рисунок 2 - Устройство для пропитки с торца под давлением древесины

труднопропитываемых пород

Пропитка осуществляется следующим образом. Оцилиндрованное сырое бревно укладывают в трубу 2, затем бревно зажимают между рабочей 3 и вспомогательной 4 головками при помощи гидроцилиндра 13. Происходит полная герметизация устройства. Маслянистый антисептик из емкости 6 под давлением, создаваемым насосом 7, подается через гидропульсатор 10 в полость левой конусной насадки 3, а также в аккумулятор давления 9 и в полость между трубой и бревном. В полости между бревном и трубой создается гидравлическое давление, равное давлению жидкости в древесине во время пропитки. Это необходимо для предотвращения растрескивания бревна при пропитке.

Пневмогидравлический аккумулятор давления служит для поддержания постоянного статического давления при пропитке. Гидропульсатор служит для создания переменного давления. Переменное давление и ультразвуковые колебания пропиточной жидкости позволяют разрушать поперечные стенки сосудов. При этом процесс пропитки проходит достаточно быстро даже для бревна длиной 6 м. Выходящая из противоположного торца вода поступает в емкость 12. После прекращения выхода воды отключают гидропульсатор, а пропиточную жидкость из полости между трубой и заготовкой откачивают насосом в емкость 6. Затем пропитанное бревно извлекают из установки и цикл повторяется.

Требуемое статическое давление пропитки – 4-5 МПа, требуемая интенсивность ультразвука – 13-17 Вт/см². Величина перепада давления принимается равной 1 МПа.