CC BY
45
ДЕРЕВООБРАБОТКА
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОПИТКИ АНТИСЕПТИКОМ «УЛТАН»
Д.А. БЕЛЕНКОВ, проф. каф. древесиноведения и спец. обр. др-ны УГЛТУ, д-р биол. наук Ю.Б. ЛЕВИНСКИИ, проф. каф. древесиноведения и спец. обр. др-ны УГЛТУ, канд. техн. наук Е.И. СТЕНИНА, доц. кафедрой древесиноведения и спец. обр. др-ны УГЛТУ
Одной из наиболее важных задач эффективного использования лесных ресурсов является повышение срока службы объектов, выполненных из древесины и древесных материалов. Среди факторов, ограничивающих долговечность деревянных элементов зданий и сооружений, поражение их дереворазрушающими грибами следует признать основным.
Разработанный в УЛТИ проф. Д.А. Беленковым совместно с учеными института химии АН Уральского ОН РФ водорастворимый трудновымываемый антисептик «Ултан» считается одним из лучших препаратов, т.к. обеспечивает защиту от всех видов биоразрушителей, в том числе от домовых грибов. Это было неоднократно подтверждено соответствующими полигонными испытаниями [1].
Бурное развитие строительной индустрии способствует развитию интереса потребителей не только к качеству защитных средств, но и к качеству процесса пропитки древесины. Технологический процесс должен отличаться низкой энергоемкостью, высокой производительностью, универсальностью и экологичностью. Решение этих задач имеет большое народохозяйственное значение и теснейшим образом связано с охраной окружающей среды, безопасностью людей и экономией общественно-полезного труда.
При выборе способа пропитки древесины препаратом «Ултан» необходимо учитывать следующие обстоятельства:
1) препарат является трудновымываемым, и поэтому его целесообразно использовать для консервирования древесины;
2) растворы препарата обладают высоким уровнем кислотности среды (рН 1,5...2,0), который не должен нарушаться для того, чтобы компоненты препарата находились в приемлемом для процесса обработки растворенном состоянии;
3) рабочий раствор должен контактировать с древесиной не более 1 ч., иначе
качество пропитки резко ухудшается из-за быстропротекающих химических реакций антисептика с веществами древесины;
4) пропитка нагретыми растворами должна быть исключена из-за высокой токсичности пропиточного состава;
5) не следует применять оборудование с деталями и узлами, содержащими цинк, алюминий, медь.
Соблюдение данных требований возможно при создании градиента давления в автоклавах с использованием холодного пропиточного раствора.
Для исследований была выбрана древесина сосны как наиболее распространенное и массово потребляемое в деревообработке сырье. Общеизвестным фактом является то, что заболонь сосны в отличие от ядровой ее части является легкопропитываемой. Необходимо также учитывать, что целесообразно проводить пропитку уже готовых деталей, т.е. после их механической обработки. Пиленые сосновые материалы состоят либо только из ядровой древесины (трудно пропитываемые зоны), либо она в них составляет основной объем. Поэтому стоит задача повышения про-питываемости именно такой древесины.
Определяющим направлением для движения защитных растворов при пропитке крупномерных материалов является радиальное, а проводящими путями - лучевые трахе-иды, имеющие простые и окаймленные поры. Предлагаемый способ пропитки должен обеспечить повышение проницаемости маргинальной зоны окаймленных пор (рис. 1).
Как показали исследования М.О. Корн-фельда [4], импульсные нагрузки, имеющие место при гидравлическом ударе, взрыве и т.п., вызывают хрупкие разрушения в упругих телах. Экстрактивные вещества, инкрустирующие маргинальную зону окаймленных пор лучевых трахеид в ядровой древесине, являются аморфными и находятся в вязко-
174
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2007
ДЕРЕВООБРАБОТКА
текучем состоянии. Микрофибриллы, ввиду упорядоченности строения и наличия кристаллических участков, близки к идеально упругим телам. Сочетание упругих и вязких свойств компонентов делает маргинальную зону композиционным материалом, который можно отнести к упруговязким телам. Поэтому импульсные нагрузки могут быть эффективными для повышения проницаемости маргинальных зон пор.
Также из механики композитов известно, что эффективными для их разрушения являются переменные нагрузки. Расчеты, выполненные В.Н. Ермолиным[2], показали, что проницаемость древесины повышается при сравнительно малых амплитудах изменения давления, когда применяются переменные нагрузки значительно меньших величин, чем предел прочности при статическом нагружении. Движущей силой переноса пропиточной жидкости является градиент давления, который проявляется как при вакууме, так и при избыточном давлении.
Согласно гипотезе, выдвинутой
В.Н. Ермолиным, в ядровой древесине пропускная способность пор лучевых трахеид снижается в силу того обстоятельства, что маргинальная зона пор, инкрустированная экстрактивными веществами, имеет значительно меньшее «живое сечение», чем в за-болонной части. Под действием циклических нагрузок происходит разрушение и отдельные фрагменты экстрактивных веществ удаляются из нее, но площадь «живого сечения» остается меньше площади поруса. Поэтому с одной стороны торуса возникнет повышенное гидростатическое давление. При достижении им величины, превышающей жесткость маргинальной зоны, торус смещается и закрывает вход в пору. Дальнейшее продвижение жидкости прекращается. Возвращение торуса в исходное положение возможно при уменьшении перепада давления перед ним и после него, что достигается за счет снижения давления. При возобновлении действия переменного давления начнется интенсивный перенос жидкости через эти поры, который приведет к увеличению скорости поглощения и продвижению фронта пропитки вглубь материала.
Важным моментом, влияющим на величину разрушающей нагрузки, является объем воздуха, заключенный в полостях клеток. В начальный период пропитки, когда полости клеток еще мало заняты пропиточной жидкостью, защемленный воздух является своеобразным демпфером, поэтому применение переменного давления становится неэффективным. Подтверждением этого предположения явились результаты исследований по использованию электрогидравлических ударов для пропитки, проведенных Г.П. Калачевым[3].
С целью повышения проницаемости труднопропитываемой древесины В.Н. Ермолин предложил сначала создать повышенное гидродавление для сжатия защемленного в полостях клеток воздуха, чтобы «заставить его работать» как упругое тело, затем за счет серии импульсов еще большего гидродавления «пробить» маргинальные зоны окаймленных пор. Чтобы торус мог вернуться в срединное положение в поровой камере и восстановилась проводимость поры, необходимо вновь стабилизировать гидродавление. Воздействие серии импульсов гидродавления способствует продвижению фронта пропиточной жидкости в более глубокие слои древесины.
Данный способ пропитки обеспечивает проникновение раствора защитного препарата в древесину на значительную глубину. Однако вследствие возникающей компрессии защемленного воздуха защитные вещества не удерживаются в древесине полностью, а выдавливаются сжатым воздухом после того, как внешнее гидродавление снимается.
Рис. 1. Окаймленные поры вертикальных трахеид. а, б - поперечный разрез: Т - торус; МЗ - маргинальная зона; КП - камера поры; П - порус; Ок - окаймление
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
175
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Таблица
Величина поглощения образцов из древесины ели, пропитанных способом «вакуум-атмосферное давление», кг/м3
Параметры эксперимента Продолжительность выдержки под вакуумом, мин.
5 10 20
Постепенное создание вакуума (в течение 10 мин) 2,68 3,06 3,07
«Мгновенное» создание вакуума (в течение 10 сек) 7,52 9,30 12,85
Рис. 2. Установка для измерения удаленного из образцов воздуха: 1 - электродвигатель; 2 - масляный вакуумный насос; 3 - ёмкость для воды, которая вытекает из насоса; 4 - вакуумметр; 5 - вентиль; 6 - колпак; 7 - сосуд; 8 - мензурка без дна; 9 - образец; 10 - подставка; 11 - основание
Поэтому следует полагать, что не нагнетание раствора под давлением в полости клеток, а удаление из них воздуха и воздействие на маргинальные зоны давлением жидкости напрямую будет более эффективным средством насыщения древесины антисептиком. Воздух можно удалить таким образом, чтобы его микропоток выдавливал экстрактивные вещества из маргинальных зон. Это становится возможным в случае применения импульсного режима обработки, при котором практически мгновенно создается разряжение.
Получено экспериментальное подтверждение выдвигаемой гипотезы. Для опытов была использована экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 2. В первой части опыта разряжение глубиной 0,08 МПа создавалось постепенно. При этом за первые 11 мин воздух выходил из древесины достаточно интенсивно, затем скорость существенно снизилась. Выделение воздуха из древесины продолжалось более суток со все более убывающей интенсивностью.
Вторая часть эксперимента заключалась в том, что разряжение создавалось практически мгновенно (за несколько секунд). Выделение воздуха из древесины происходило настолько интенсивно, что напоминало пневмовзрыв, и длилось в течение одной минуты. Затем процесс замедлялся и происходил с той же интенсив-
ностью, что и на втором этапе первого эксперимента. При повторном создании «мгновенного» вакуума вышеописанный процесс повторялся и проходил достаточно активно.
На основе проведенных исследований можно сделать вывод о том, что импульсный режим автоклавной пропитки водорастворимыми антисептиками является эффективным способом насыщения древесины защитным препаратом. Скоротечное создание разряжения в камере, своего рода «мгновенного» вакуума, обеспечивает не только быстрое удаление воздуха из структурных полостей в поверхностных слоях древесины, но и существенно повышает ее проницаемость (таблица).
При постепенном создании разряжения процесс удаления воздуха проходит менее интенсивно, вероятно, в силу того обстоятельства, что нагрузки создаются небольшие, способные лишь сместить со временем торусы окаймленных пор и перекрыть входы в поровые камеры. Аналогичные процессы проходят и при стабилизации воздействия. На основании полученных результатов определена следующая задача исследований - получение оптимальных значений параметров процесса защитной обработки древесины, особенно ядровой, проницаемость которой существенно зависит от проницаемости окаймленных пор.
Для повышения способности древесины интенсивно поглощать водорастворимые антисептики необходимо чередование переменных нагрузок, вызванных градиентом гидродавления, с выдержкой древесины при статическом давлении среды.
С целью интенсификации процесса пропитки предлагается следующее:
1) использовать импульсные нагрузки для повышения проницаемости древесины за счет практически «мгновенного» создания разряжения в автоклаве;
176
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
