Стенина Елена Ивановна. Технология пропитки древесины мышьяксодержащими антисептиками

Краткое описание

Стенина Елена Ивановна. Технология пропитки древесины мышьяксодержащими антисептиками : диссертация ... кандидата технических наук : 05.21.05 / Стенина Елена Ивановна; [Место защиты: С.-Петерб. гос. лесотехн. акад. им. С.М. Кирова].- Екатеринбург, 2009.- 199 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1538

Федеральное агентство по образованию
Уральский государственный лесотехнический университет
На правах рукописи
20 0.9 04825*
Стенина Елена Ивановна
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ МЫШЬЯКСОДЕРЖАЩИМИ АНТИСЕПТИКАМИ
05.21.5 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Левинский Ю.Б.
Екатеринбург 2008 
Введение
1 Состояние вопроса
1.1 Защищенность древесины и пути ее повышения
1.2 Характеристика современных средств биозащиты древесины
1.2.1 Характеристика и особенности использования антисептика
УЛТАН
1.2.2 Основные аспекты безопасного использования
мышьяксодержащих препаратов
1.2.3 Обоснование способа пропитки древесины
антисептиком УЛТАН
1.3 Пропитываемость древесины
1.4 Влияние структурных особенностей строения древесины сосны на
ее пропитываемость
1.5 Пути продвижения жидкости на капиллярном и
субмикрокапиллярном уровнях
1.6 Процессы, обеспечивающие пропитку древесины
1.6.1 Процессы, сопровождающие увлажнение древесины
1.6.2 Кинетика жидкости в условиях интенсивного насыщения
древесины антисептиком
1.7 Технико-технологические особенности пропитки древесины в среде
переменного давления
1.8 Технологические установки, обеспечивающие пропитку пористых
материалов под давлением
1.9 Цель и задачи исследований
2 Теоретические исследования
2.1 Пути повышения проницаемости древесины
2.2 Теоретическое обоснование механизма предлагаемого метода
з
совершенствования способа пропитки «Вакуум-давление» 66
2.3 Основы теории проницаемости древесины в предлагаемом режиме
73
пропитки
2.4 Цель и задачи экспериментов 74
3 Экспериментальные исследования .’ 75
3.1 Методические основы проведения экспериментов 75
3.1.1 Характеристика и параметрическая оценка образцов 75
3.1.2 Определение оптимальной длительности стадии
вакуумирования 77
3.1.3 Определение влияния скорости создания вакуума на
качество пропитки древесины 78
3.1.4 Определение влияния количества циклов вакуумирования
на величину поглощения 79
3.1.5 Определение доминирующего параметра стадии
вакуумирования 80
3.1.6 Определение оптимального количества циклов гидродавления 81
3.1.7 Исследование процесса импрегнирования
водорастворимым препаратом 82
3.1.8 Статистическая обработка результатов поисковых
экспериментов 84
3.1.9 Методика математической обработки результатов
88
многофакторного эксперимента
3.2 Поисковые эксперименты 90
3.2.1 Определение оптимальной длительности стадии
вакуумирования 91
3.2.2 Определение влияния скорости создания вакуума на качество
пропитки древесины 92
3.2.3 Определение влияния количества циклов вакуумирования на
величину поглощения 95
3.2.4 Определение доминирующего параметра стадии
вакуумирования 96
3.2.5 Определение оптимального количества циклов гидродавления 97 3.3 Исследование процесса импрегнирования водорастворимым препаратом 98
3.3.1 Выбор постоянных и переменных факторов эксперимента 99
3.3.2 Анализ результатов эксперимента 101
3.3.3 Выводы 105
4 Апробация и исследования в производственных условиях 107
4.1 Опытно-промышленная установка 107
4.2 Проведение опытных пропиток 108
4.3 Анализ результатов производственных исследований 111
5 Исследование влияния антисептика УЛТАН на физико-механические и
112
технологические свойства пропитанной древесины
5.1 Методики проведения экспериментов 113
5.1.1 Прочность при сжатии вдоль волокон 113
5.1.2 Прочность при изгибе 115
5.1.3 Прочность при скалывании вдоль волокон 116
5.1.4 Прочность клеевого соединения при скалывании 117
5.1.5 Адгезия лакокрасочных покрытий на пропитанной
подложке 117
5.2 Результаты экспериментов 119
5.2.1 Прочность при сжатии вдоль волокон 120
5.2.2 Прочность при изгибе 122
5.2.3 Прочность при скалывании вдоль волокон 123
5.2.4 Прочность клеевого соединения при скалывании 124
5.2.5 Адгезия лакокрасочных покрытий на пропитанной
подложке 127
6 Технико-экономическое обоснование предлагаемого способа пропитки 129
Основные выводы и рекомендации 132
Библиографический список 134
Приложение 1 144
Приложение 2 162
Приложение 3 171
Приложение 4 194
Приложение 5 197

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Бурное развитие строительной индустрии, а также необходимость экономии средств, вызвали большой интерес потребителей к повышению долговечности и надежности строительных конструкций. Разработка высокоэффективных средств и способов защиты древесины от биологического разрушения в процессе эксплуатации является одной из важнейших научно-производственных задач.
На потребительском рынке представлен широкий спектр антисептиков, среди которых водорастворимые мышьяксодержащие препараты являются высокоэффективными средствами, предназначенными для защиты древесины, эксплуатирующейся в жестких условиях. По мнению зарубежных специалистов значительный рост использования этих биоцидов произойдет в начале XXI из-за их высокой защищающей способности и технологических качеств, меньшей стоимости, и, как показывают последние исследования, не столь однозначной опасности.
Основным мировым производителем мышьяксодержащих препаратов являются США, где по данным Американского йнститута охраны леса в 1994 г. 80 % от всего объема переработанной древесины обрабатывались биоцидами группы ССА, основными компонентами которых являются хром (Сг), медь (Си), мышьяк (As). Из 55 антисептиков этой группы, зарегистрированных к концу XX века, 50 - европейских. Отечественным консервантом группы ССА является антисептик УЛТАН.
Быстропротекающий процесс фиксации препарата УЛТАН ограничивает спектр технологических приемов введения его в древесину, т.к. должен быть исключен нагрев рабочего раствора, а продолжительность контакта с материалом не может превышать одного часа. Ни один из существующих способов глубокого насыщения древесины защитными препаратами не отвечает этим требованиям. ■
Целью работы являлось повышение биостойкости древесины путем применения технологии, основанной на высокоскоростном и энергосберегающем способе консервирования пиломатериалов.
Задачи исследований.
- Теоретически обосновать условия интенсификации процесса глубокого и полного насыщения ядровой древесины антисептирующим раствором.
- Установить характер влияния основных режимных параметров процесса на качество пропитки древесины биоцидом группы ССА.
- Разработать математическую модель процесса импрегнирования древесины под воздействием импульсным давлением.
- Исследовать влияние содержания мышьяксодержащего препарата на основные физико-механические показатели и технологические характеристики пропитанной древесины.
- Провести промышленную апробацию предложенных технических решений и определить их технико-экономическую эффективность.
Объектами исследований являются сосновые пиломатериалы и процессы глубокого введения в них водных антисептирующих растворов под действием градиента давления.
Предметом исследований являются взаимосвязи и закономерности, обеспечивающие интенсификацию процесса насыщения древесины водорастворимыми биоцидами при условии низкого энергопотребления. Научной новизной обладают:
• теоретическое и экспериментальное обоснование повышения пропитываемое™ ядровой древесины сосны мышьяксодержащими антисептиками в результате воздействия импульсным разрежением и переменным гидродавлением;
• исследования основных физико-механических свойств пропитанной мышьяксодержащим препаратом древесины в зависимости от условий обработки и насыщения ее антисептиком.
Научные гипотезы, выносимые на защиту
1. Импульсное разрежение обеспечивает повышение пропитываемости древесины и стабильное удержание защитного препарата вне зависимости от ее структурного состояния.
2. Совокупное воздействие чередующихся импульсов глубокого разрежения (0,08 МПа) и невысокого переменного гидродавления (0,2МПа) способствует интенсификации процесса консервирования ядровой древесины.
Достоверность научных гипотез, выводов и рекомендаций подтверждается использованием основных положений теории
тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах, методов планирования экспериментов и математической обработки их результатов, оценкой адекватности разработанных моделей и приемлемым совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными и результатами промышленной апробации.
Значимость для теории и практики.
Для теории имеет значение:
• теоретические и экспериментальные исследования приемов, повышающих проницаемость ядровой древесины;
• высокоскоростной метод консервирования древесины, основанный на применении импульсно-создаваемого глубокого вакуума и невысокого переменного гидродавления;
• математическая модель процесса введения водорастворимых защитных препаратов в древесный материал под действием градиента давления среды, учитывающая влияние четырех основных управляющих факторов процесса.
Для практики имеют значение:
• высокопроизводительный и энергосберегающий способ полного и глубокого насыщения защитным препаратом древесины;
• технико-технологическое решение для осуществления разработанного способа пропитки;
• технологический режим пропитки сосновой древесины 11-ой группы пропитываемости;
• результаты исследований по изучению основных технологических свойств пропитанной древесины;
• рекомендации по обеспечению безопасности и экологичности процесса пропитки древесины мышьяксодержащими антисептиками.
Апробация работы. Выдвигаемые в диссертационной работе научные положения и рекомендации к использованию изложены и обсуждены на Шестом Международном лесопромышленном Форуме (г. Санкт-Петербург, 2004г.); на Международных евразийских симпозиумах «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (г. Екатеринбург, 2006, 2007, 2008 г.г.); Международных научно-технических конференциях (г. Екатеринбург, 2004, 2005 г.г.); на Межрегиональной научно-технической конференции «Производство, применение, свойства первого в России хромомедномышьякового (ССА) антисетика УЛТАН» (г. Екатеринбург, 2006 г.); на научно-технической конференции СПбГЛТА (г. Санкт-Петербург, 2006 г.).
Реализация работы. Опытно-промышленная проверка разработанного способа консервирования древесины проведена в межфакультетской лаборатории промышленной пропитки древесины УГЛТУ (г. Екатеринбург), на ОАО УралНИИПдрев (г. Екатеринбург).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них в изданиях, рекомендуемых ВАК, - 1.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и рекомендаций, а также библиографического списка, включающего 118 наименований. Общий объем работы - 143 страницы основного текста, 35 рисунков, 32 таблицы и 5 приложений.

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Биозащитная обработка мышьяксодержащими препаратами является перспективным направлением повышения надежности и долговечности элементов и конструкций, выполненных из древесины и эксплуатирующихся в жестких условиях.
2. Соблюдение основных санитарно-технических требований к организации процессов с участием вредных веществ является достаточным условием для обеспечения безопасности и экологичности процесса с использованием мышьяксодержащих антисептиков. Утилизация шламовых отходов может быть реализована в виде специальных захоронений в глинистых почвах, из которых удаление мышьяка возможно, в основном, за счет биоокисления и биометилирования.
3. Быстропротекающие реакции фиксации препарата в древесине обуславливают применение автоклавных способов консервирования древесины мышьяксодержащими биоцидами.
4. Наличие ресивера в конструкции установки для пропитки пористых материалов, выполненной по патенту РФ № 2011511, позволяет практически мгновенно создавать вакуум в автоклаве и поддерживать его необходимую величину без дополнительных энергозатрат.
5. Импульсное создание разрежения повышает пропитываемость ядровой
древесины, что способствует существенной интенсификации процесса консервирования. ’
6. Циклическое воздействие импульсно создаваемым разрежением более чем в 1,5 раза повышает поглощение защитного препарата труднопропитываемыми зонами древесины.
7. Пропитка древесины, основанная на воздействии импульсным разрежением и невысоким переменным гидродавлением, позволяет существенно сократить продолжительность процесса импрегнирования и обеспечить высокое качество обработки.
8. Математическая модель процесса консервирования ядровой древесины сосны по предлагаемому способу позволяет эффективно управлять процессом и качеством обработки материалов в производственных условиях.
9. Опытно-промышленные исследования показали сокращение продолжительности процесса обработки до 35 мин, а энергопотребления - до 1,2 кВт, что подтверждает эффективность предложенного режима импрегнирования сосновой древесины II группы пропитываемости.
10. Присутствие мышьяксодержащего антисептика неоднозначно сказывается на прочностных показателях пропитанной древесины. При небольшом содержании биоцида прочностные показатели, как правило,
о
снижаются, а при поглощении свыше 9 кг/м соответствуют прочности массивной непропитанной древесины. •
11. Скорость создания вакуума в процессе пропитки влияет на прочностные показатели обработанной древесины, причем импульсно созданное разрежение является предпочтительным.
12. Присутствие мышьяксодержащего антисептика в количестве более 9кг/м3 при условии импульсного разряжения в режиме пропитки обеспечивает надежную и длительную защиту древесины без снижения ее прочностных показателей.
13. Для склеивания элементов, обработанных мышьяксодержащим
биоцидом, целесообразно использовать клеевые системы, имеющие изначально кислую среду. ’
14. Присутствие в древесной подложке данного антисептика даже в
значительных количествах не ухудшает адгезию влагостойких
лакокрасочных покрытий.
15. Выполненные технико-экономические расчеты показали, что
предлагаемый режим пропитки позволяет в 3 раза сократить
продолжительность процесса введения защитного препарата в материал и более чем в 2 раза снизить его энергопотребление.