Пропитка лесоматериалов в пьезопериодическом поле
Новые технические решения для повышения эффективности метода
В настоящее время ведутся многочисленные исследования способов модификации древесины с целью получения новых конструкционных и защитных материалов с наилучшими эксплуатационными характеристиками, а также разрабатываются технологии производства таких материалов с оптимальными технико-экономическими показателями. В числе известных способов модификации древесины и пропитка древесных материалов жидкостями с различными свойствами.
В структуре древесины - годичные слои, сердцевидные лучи, смоляные ходы и другие элементы системы водопроводящих путей, образующих проницаемое пространство материала, которое может быть заполнено растворами или расплавами. В условиях, когда это пространство заполнено названными выше компонентами, древесина становится многокомпонентным полимером с новыми физико-механическими характеристиками.
Под пропиткой понимают процессы введения в древесину веществ, которые изменяют ее свойства (повышают биостойкость и огнестойкость, снижают электропроводность, гигроскопичность, увеличивают прочность, изменяют цвет и т. д.).
В качестве пропитки используют вещества, разнообразные по свойствам и характеру взаимодействия с древесиной. Они могут проникать в древесину механическим путем, адсорбироваться древесинным веществом, вступать с ним в химическую реакцию. Характер физико-механических явлений, сопровождающих пропитку, очень сложен, они еще не изучены в полной мере.
В большинстве случаев пропитывающие вещества не вступают в химическую реакцию с древесиной и ею не адсорбируются. Поэтому процесс пропитки считается чисто физическим. Проникновение пропиточного состава (реагента) в древесину обычно происходит в результате действия капиллярных, центробежных, диффузионных и электростатических сил и сил давления в условиях преобладающего воздействия каждого вида сил, по-этому пропитка подразделяется по виду воздействия на капиллярную, диффузионную, пропитку под давлением, центробежную.
Капиллярная пропитка (КП) осуществляется за счет капиллярных сил, реже с помощью диффузии в результате смачивания поверхности древесного материала пропитывающим составом при нанесении реагента кистью, опрыскивании, окунании и замачивании.
Диффузионная пропитка (ДП) основана на диффузии молекул или ионов из растворов веществ, в которые погружены пропитываемые материалы, или разных паст, которыми покрывают эти материалы, в воду, находящуюся в полостях клеток древесины. ДП осуществляется при помощи нанесения паст, установки бандажа, вымачивания в растворе.
Для создания разности внешнего давления и внутреннего давления в древесине при пропитке под давлением применяют метод выдержки нагретой древесины в холодной воде; обработку в автоклаве; подачу пропитывающей жидкости под давлением в торцы сортиментов; возбуждение в пропитывающей жидкости ультразвукового поля, воздействие электрогидравлического эффекта на пропиточную жидкость.
Сущность способа центробежной пропитки заключается в том, что проникновение пропитывающей жидкости в древесину происходит под действием центробежных сил, которые возникают в пропиточном растворе при быстром вращении лесоматериалов и пропиточной жидкости в центрифуге.
Пропитка древесины под давлением выше атмосферного обеспечивает максимально глубокое проникновение защитного средства в структуру древесины и применяется для пропитки продукции, эксплуатируемой в тяжелых условиях (шпал, опор, свай, и др.). Древесина в этом случае требует предварительной сушки, что снижает производительность и увеличивает энергоемкость процесса.
Автоклавно-диффузионный способ обеспечивает глубокую пропитку сырой древесины. Процесс включает паровакуумную подсушку наружной зоны древесины; введение в древесину под давлением пропиточного состава; выдерживание продукции на складе в течение двух - четырех недель для перераспределения и фиксации компонентов; это серьезно увеличивает длительность технологического процесса и при больших объемах производства требует значительных складских оборудованных площадей.
Способ пропитки под атмосферным давлением с предварительным вакуумированием основан на введении пропиточной жидкости под действием атмосферного давления, избыточного по отношению к давлению внутри древесины. Изделия из древесины загружают в пропиточную емкость и создают в ней вакуум, затем заполняют емкость пропиточной жидкостью, убирают вакуум и выдерживают изделия или материалы при атмосферном давлении.
Способ пропитки «прогрев - холодная ванна», также известный как способ горяче-холодных ванн, применяют для пропитки строительных деталей и конструкций. При пропитке этим способом, в результате резкого перепада температуры в древесине, которую сначала нагревают в горячей жидкости, а потом быстро охлаждают в холодной, в клетках древесины образуется вакуум.
Для вымачивания требуются емкости, размеры которых соответствуют размерам и количеству одновременно пропитываемых деталей, то есть общему объему обработки. В этом случае пропитку проводят в металлических ваннах, снабженных устройством, препятствующим всплыванию деталей, и крышкой.
У перечисленных способов пропитки есть ряд существенных недостатков: вымачивание занимает много времени, а при ускорении процесса путем нагревания пропиточной жидкости неизбежен значительный расход энергии. У центробежных установок для пропитки и барокамер сложная конструкция и низкая эффективность - при высокой стоимости у них низкая производительность из-за цикличности производственного процесса, а также невозможности автоматизировать процесс загрузки-выгрузки заготовок.
По показателям проницаемости древесины выделяют породы: легкопропитываемые (бук, береза, заболонь сосны); умеренно пропитываемые (осина, ольха, тополь, ива, липа, тонкомерные лесоматериалы мягколиственных и хвойных пород); труднопропитываемые - ель, пихта, лиственница, дуб, ясень, пиломатериалы из ядровой древесины сосны.
Существенное влияние на процесс пропитки оказывает влажность обрабатываемой древесины. В зависимости от способа пропитки предпропиточная влажность заготовок или образцов должна регламентироваться согласно ГОСТ 20022.6-93.
Параметрами, определяющими уровень пропитки древесины, считают величину поглощения, глубину проникновения пропитывающего состава и равномерность его распределения в пропитанной зоне. Величину поглощения состава при пропитке регулируют за счет изменения режима процесса (продолжительности, давления, скорости) или концентрации пропитывающего состава.
Сотрудниками лесоинженерного факультета (ЛИФ) Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С. М. Кирова (СПбГЛТУ) в рамках НИР «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства» разработаны новые технические решения для повышения эффективности пропитки лесоматериалов. Эти разработки, получившие название «Новые технические решения для повышения эффективности обезвоживания и пропитки лесоматериалов», победили в конкурсе на лучшие инновационные проекты в сфере науки и высшего образования Санкт-Петербурга в 2012 году в номинации «Лучшая научно-инновационная идея».
Пропитка древесины при помощи гидроудара
Гидравлический удар - скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Сотрудники ЛИФ СПбГЛТУ предложили использовать этот эффект в технологии пропитки древесины.
Схема полезной модели для пропитки деревянных заготовок представлена на рис. 1.
В состав устройства для пропитки деревянных заготовок входят бак с пропиточной жидкостью и узел создания давления пропиточной жидкости, который выполнен в виде напорного бака, снабженного верхним и нижним датчиками уровня, и разгонной трубой, соединенной с напорным баком. В тупиковом конце этой трубы имеется люк для загрузки деревянной заготовки, а в зоне выходного конца трубы смонтировано запорное приспособление, которое соединено с верхним и нижним датчиками уровня и автоматически управляется ими.
Это техническое решение позволяет снизить энергоемкость процесса пропитки и упростить устройство благодаря оптимизации узла создания давления пропиточной жидкости, интенсифицировать процесс и обеспечить глубокую пропитку детали за счет создания гидроудара.
Известно устройство для пропитки деревянных заготовок, включающее в себя емкость с пропиточной жидкостью, через которую на транспортере непрерывно транспортируются деревянные заготовки.
Недостатком такого технического решения является низкое качество пропитки из-за кратковременного нахождения заготовки в емкости с пропитывающей жидкостью.
Также известно устройство для пропитки древесных материалов, состоящее из бака с пропиточной жидкостью и узла создания давления пропиточной жидкости. Недостатками этого технического решения являются: необходимость предварительной подсушки предназначенных для пропитки древесных материалов, большая продолжительность процесса пропитки, сложность и высокая энергоемкость устройства, а также нецелесообразность его использования для пропитки мелких деревянных заготовок.
Устройство, предложенное специалистами СПбГЛТУ, работает следующим образом. Деревянную заготовку через загрузочный люк помещают в тупиковый конец разгонной трубы. Насосом пропиточную жидкость из бака подают в напорный бак. После того как жидкость в напорном баке достигнет верхнего датчика уровня, запорное приспособление открывает путь жидкости на слив, уровень пропиточной жидкости в напорном баке начинает падать, и в момент достижения нижнего датчика уровня запорное приспособление резко закрывается. При этом в разгонной трубе создается эффект гидравлического удара. Ударная волна будет совершать в разгонной трубе затухающие колебания от запорного приспособления до торца деревянной заготовки. Так, например, при скорости потока 1 м/с давление в разгонной трубе может повыситься с 1 до 1,5 МПа. Одновременно насос заполнит напорный бак до уровня верхнего датчика, и процесс повторится.
Схема нового устройства для пропитки древесины в пьезопериодическом поле, также разработанного специалистами ЛИФ СПбГЛТУ, представлена на рис. 2.
В состав предлагаемого устройства для пропитки древесины под цикличным давлением входят: пропиточная емкость (2), гидронасос (5) и механизм создания цикличного давления, выполненный из гидроцилиндра (6), гидроаккумулятора (7) и гидрораспределительной системы (8), причем поршни (9 и 10) гидроцилиндра и гидроаккумулятора соединены общим штоком (11), на котором смонтирован фиксатор (12), а гидрораспределительная система (8) снабжена датчиками (13 и 14), поочередно контактирующими с фиксатором.
Известен способ и устройство для пропитки изделий из древесины, в основном шпал, под цикличным давлением с предварительным накалыванием поверхности обрабатываемых материалов. Недостатки этого способа: низкая производительность из-за необходимости предварительно накалывать поверхность деталей и высокая трудоемкость процесса в целом.
Известно также устройство для пропитки древесины под цикличным давлением, в конструкцию которого входят: пропиточная емкость, соединенная с резервной пропиточной и сливной емкостями, насос и механизм создания цикличного давления. Его недостатками являются низкая производительность и высокая сложность устройства.
Техническая задача устройства, предложенного разработчиками из СПбГЛТУ, - повышение качества пропитки и упрощение конструкции, обеспечение компактности и мобильности оборудования; это позволило бы успешно использовать устройство для пропитки в условиях лесосеки и временных лесопромышленных складов типа 4 НС.
Устройство работает следующим образом. В пропиточную емкость помещают, вручную или при помощи погрузо-разгрузочных устройств (в зависимости от размеров и количества) деревянные изделия (заготовки). Из резервной доливочной емкости насосом полностью заполняют пропиточную емкость. Включают гидронасос, при этом поршень гидроцилиндра перемещается и одновременно перемещает поршень гидроаккумулятора, создавая давление в пропиточной емкости. Необходимый уровень давления в пропиточной емкости автоматически регулируется регулятором давления. Вытесняемый из древесины воздух удаляется через сапун.
Когда поршень гидроаккумулятора доходит до крайнего правого положения от контакта фиксатора с датчиком BKmin, последний срабатывает, при этом происходит переключение гидрораспределителя и поршни гидроцилиндра и гидроаккумулятора перемещаются влево, создавая разряжение в пропиточной емкости.
Когда поршень гидроцилиндра доходит до крайнего левого положения от контакта фиксатора с датчиком BKmax, последний срабатывает, при этом гидрораспределитель снова перемещает поршни гидроцилиндра и гидроаккумулятора вправо, создавая давление в пропиточной емкости.
Разработанная конструкция устройства для пропитки деревянных заготовок, деталей и изделий обеспечивает автоматизированную цикличную последовательность сжатия-разряжения, за счет чего возможно достижение качественной (глубокой) пропитки изделий из древесины (заготовок).
Ольга КУНИЦКАЯ,
канд. техн. наук, доцент,
Светлана БУРМИСТРОВА, аспирант,
Юрий ГОНЧАРОВ, аспирант,
кафедра технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ
