PL205238B1

PL205238B1 - Drewno impregnowane polimerem furanowym, sposób przygotowania drewna impregnowanego polimerem furanowym, oraz zastosowanie drewna impregnowanego polimerem furanowym

Info

Publication number: PL205238B1
Application number: PL375048A
Authority: PL
Inventors: Marc H. Schneider
Original assignee: Kebony Asa
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-21
Publication date: 2010-03-31
Also published as: BRPI0312905B1; AP2016A; US20060292366A1; ZA200500730B; NO20023592D0; AU2003247295B2; EP1534480B1; JP2005533689A; NO318253B1; CN100337800C; WO2004011214A2; RU2309837C2; SI1534480T1; CA2493284C; NZ538393A; AU2003247295A1; CA2493284A1; PT1534480E; CN1671526A; WO2004011214A3

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest drewno impregnowane polimerem furanowym, sposób przygotowania drewna impregnowanego polimerem furanowym, oraz zastosowanie drewna impregnowanego polimerem furanowym, zwłaszcza drewno impregnowane polimerem furanowym, które ma jednolitą barwę i gęstość w całej strefie impregnacji. Aby otrzymać drewno impregnowane polimerem, wyjściowe drewno impregnowano mieszaniną zdolnego do polimeryzacji monomeru alkoholu furfurylowego zawierającą co najmniej wodę, alkohol furfurylowy, stabilizator oraz o najmniej jeden inicjator.

Alkohol furfurylowy polimeryzuje (żywiczeje) w środowisku kwaśnym. Kwas inicjuje reakcję polimeryzacji. Mocne kwasy wywołują gwałtowną polimeryzację o ograniczonej przydatności ze względu na jej burzliwość. Ale używając słabych kwasów, takich jak kwasy organiczne, reakcję polimeryzacji można kontrolować. Gdy pożądane jest wykorzystanie alkoholu furfurylowego jako impregnatu dla materiałów porowatych takich jak drewno, ustalono, że ważne jest wybranie słabego kwasu, który nie oddziela się od alkoholu furfurylowego podczas wnikania w środowisko porowate. Również korzystnym jest wybranie słabego kwasu, który posiada powinowactwo chemiczne do drewna. Nie rozdzielająca się mieszanina ze wzmożonym powinowactwem do drewna jest przedmiotem publikacji WO 02/30638 (Marc Schneider).

Dla pewnych zastosowań, korzystnym jest impregnowanie materiałów porowatych takich jak drewno, alkoholem furfurylowym o mniejszym stopniu inicjacji, niż ujawniony w publikacji WO 02/30638. Stwierdzono, że niższe stężenia polimeru alkoholu furfurylowego (nazywanego również polimerem furanowym lub żywicą furanową) w drewnie, nadal zapewnia użyteczne właściwości, przy niższym koszcie i mniejszej zmianie wyglądu. Drewno preparowane według publikacji WO 02/30638 ma bardzo ciemną barwę. Przy niższych stężeniach, możliwe jest otrzymanie barw od jasno do ciemno brązowej.

Sposobem kontrolowania stężenia polimeru furanowego w materiale porowatym jest wykorzystanie ciekłego nośnika dla zainicjowanego alkoholu furfurylowego. Nośnik i alkohol furfurylowy impregnuje się razem w materiał porowaty. Po impregnacji nośnik usuwany jest z materiału porowatego, zostawiając zainicjowany alkohol furfurylowy wewnątrz materiału porowatego. Polimeryzacja zainicjowanego alkoholu furfurylowego możne nastąpić przed, w czasie lub po ekstrakcji nośnika obojętnego. Drewno i materiały drewniane stanowią zasadnicze przedmioty niniejszego wynalazku, ale inne materiały porowate, takie jak cegła, beton z cementu portlandzkiego i kamień mogą być impregnowane w podobny sposób.

Woda jest związkiem niedrogim i przyjaznym dla środowiska. Alkohol furfurylowy jest rozpuszczalny w wodzie, i stąd woda może być wykorzystana jako nośnik dla rozcieńczonego, niezainicjowanego alkoholu furfurylowego, ale nie będzie on polimeryzował w sposób przydatny.

Po zmieszaniu inicjatora w postaci kwasu organicznego z alkoholem furfurylowym powstaje ester. Taki ester ma ograniczoną rozpuszczalność w wodzie. Powstaje zatem mieszanina dwufazowa. Podczas mieszania wytwarza się emulsja. W początkowych pracach z taką mieszaniną przypuszczano, że taka emulsja nie będzie dobrze penetrować drewna, dlatego eksperymenty prowadzono w kierunku przekształcenia mieszaniny w układ jednofazowy. Eksperymenty te pokazały, że dodanie pewnych związków chemicznych powodowało wytworzenie stabilnej, jednofazowej mieszaniny skatalizowanego alkoholu furfurylowego i wody, stanowiącej przedmiot publikacji WO 02/060660. Pierwszymi odkrytymi użytecznymi stabilizatorami był boraks i sole sodowe kwasów lignosulfonowych.

Alkohol furfurylowy zawierający inicjator w postaci kwasu organicznego następnie zmieszany z wodą bez stabilizatora, ulega powolnej polimeryzacji. Powolna reakcja polimeryzacji wytwarza kwas, który przyspiesza polimeryzację. Taki proces ogranicza okres przydatności mieszaniny do użytku. Dalsze prace z takimi mieszaninami wykazały, że główną funkcją stabilizatorów było raczej utrzymywanie kwasowości mieszaniny na stałym poziomie niż jej podnoszenie, wydłużając w ten sposób okres przydatności mieszaniny do użytku. Te dalsze prace wskazały również, że istnieje bardzo wiele związków chemicznych, które mogą działać jako stabilizatory. Boraks i sole sodowe kwasów lignosulfonowych, które zostały użyte jako pierwsze są tylko przykładami większej ilości możliwości.

W dalszych pracach drewno impregnowano emulsją zainicjowanego alkoholu furfurylowego w wodzie, nie zawierają c ą stabilizatorów. Stężenie wynosił o 1% bezwodnika maleinowego i 12% alkoholu furfurylowego w stosunku do wody. Po energicznym mieszaniu, wytwarzała się mętna mieszanina, która dobrze impregnowała drewno, a po podgrzaniu, polimeryzowała w drewnie. Inne stężenia również dawały mieszaniny nadające się do wykorzystania. Dlatego dla pewnych zastosowań i procesów obróbki drewna nie jest konieczne używanie stabilizatorów w wodnej mieszaninie zainicjowanego alkoholu furfurylowego.

PL 205 238 B1

Dalsze prace wykazały, że kolejność mieszania inicjatora, alkoholu furfurylowego i wody nie jest ważna. Ta sama mieszanina dwufazowa powstawała bez względu na to czy inicjator dodawano do wody przed alkoholem furfurylowym, czy po alkoholu furfurylowym.

Stwierdzono, że dla sporządzenia stabilizowanej mieszaniny, ważne były wartości pH. Określony zakres pH zmieszanego roztworu nadawał długi okres przydatności do użycia, a także zmieniał dostatecznie swój odczyn na bardziej kwaśny podczas podgrzewania, aby wywołać polimeryzację. Jednak przy wytwarzaniu mieszaniny stabilizowanej może być ważna sekwencja mieszania. Alkohol furfurylowy może mieć różną kwasowość w zależności od partii, czasu przechowywania i warunków przechowywania. Dlatego dobrym sposobem sporządzania jednorodnej, stabilniej mieszaniny impregnującej jest najpierw mieszanie alkoholu furfurylowego z wodą i dopiero wówczas dodawanie odpowiednich ilości kwasowego inicjatora i stabilizatora buforującego do zadanego pH.

Użyteczne zainicjowane emulsje alkoholu furfurylowego w wodzie bez stabilizatorów buforujących, zwykle posiadały pH o wartości bliskiej 2,3, malejąc do 1,4 przy podgrzaniu dla utwardzenia.

Stabilizatory utrzymywały pH użytecznych mieszanin preparujących do momentu, gdy drewno zostało zaimpregnowane. Wówczas pH malało (stawało się bardziej kwasowe), co ułatwiało utwardzanie. Stabilizowane mieszaniny, które dobrze się przechowywały, zwykle posiadały pH między 3,5 a 4,0. Po podgrzaniu dla wywoł ania polimeryzacji, pH malał o do zakresu od 2,5 do 2,8.

Jednym celem wynalazku jest zapewnienie drewna impregnowanego polimerem furanowym, poprzez zmienienie ściany komórki drewna przy pomocy takiego samego związku monomerycznego jak ten ujawniony w publikacji WO 02/30638, ale przy użyciu mniejszych ilości tego związku.

Innym celem wynalazku jest zapewnienie równomiernego rozprowadzenia związków chemicznych w drewnie impregnowanym polimerem furanowym przez użycie wody, jako przyjaznego dla środowiska i produkcji rozcieńczalnika dającego równomierną, dającą się kontrolować, niską pozostałość aktywnego związku w strefie impregnacji drewna.

Jeszcze innym celem wynalazku jest zapewnienie drewna impregnowanego polimerem furanowym, posiadającego ulepszone właściwości, takie jak stałość wymiarów, odporność na gnicie i wpływy atmosferyczne.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, powyższe i inne cele uzyskuje się przez produkt, sposób i ich zastosowanie, jak to ujawniono w zastrzeż eniach patentowych.

Zgodnie z wynalazkiem, drewno impregnowane polimerem furanowym zawierające polimer pochodzący z polimeryzacji mieszaniny monomeru alkoholu furfurylowego, charakteryzuje się tym, że mieszanina ta zawiera co najmniej wodę, alkohol furfurylowy, stabilizator oraz inicjator, przy czym stabilizator wybrany jest spośród węglanu sodu, wodorowęglanu sodu, cytrynianu sodu, fosforanów i rozpuszczalnych w wodzie pochodnych lignin takich, jak sole wapniowe i amonowe kwasów lignosulfonowych, a inicjator wybrany jest spośród bezwodnika maleinowego, bezwodnika ftalowego, kwasu maleinowego, kwasu jabłkowego, kwasu ftalowego, kwasu benzoesowego, kwasu malonowego, kwasu askorbinowego, kwasu bornego, kwasu cytrynowego, chlorku cynku, chlorku glinu, innych cyklicznych bezwodników organicznych i kwasów, i ich kombinacji, oraz, że zawartość procentowa, w odniesieniu do całkowitego ciężaru tego roztworu, dla alkoholu furfurylowego wynosi od 2% do 90%, dla inicjatora wynosi od 2% do 5%, a dla stabilizatora wynosi od wartości większej niż zero do 10%, a ponadto, że drewno do impregnacji jest tarcicą zawierającą bale jak również materiały kompozytowe, takie jak płyta wiórowa, a ilość roztworu jest wystarczająca do zanurzania drewna przy jego głębokiej penetracji oraz do natryskiwania lub malowania pędzlem albo obracania przy jego powierzchniowej penetracji.

Dla uzyskania racjonalnego okresu przydatności do użycia i optymalnych zdolności do polimeryzacji, pH wymienionej mieszaniny monomeru alkoholu furfurylowego wynosi od 2,5 do 4,0.

Należy zauważyć, że wymieniony stabilizator może być używany pojedynczo lub w kombinacji z co najmniej jednym innym stabilizatorem. To samo dotyczy wymienionego inicjatora.

Z kolei, sposób przygotowania drewna impregnowanego polimerem furanowym, charakteryzuje się tym, że obejmuje etap, w którym impregnuje się materiał drewniany obejmujący tarcicę i materiały kompozytowe, takie jak płyta wiórowa, mieszaniną zdolnego do polimeryzacji monomeru alkoholu furfurylowego, zawierającą co najmniej wodę, alkohol furfurylowy, stabilizator oraz inicjator, przy czym stabilizator wybrany jest spośród węglanu sodu, wodorowęglanu sodu, cytrynianu sodu, fosforanów i rozpuszczalnych w wodzie pochodnych lignin takich, jak sole wapniowe i amonowe kwasów lignosulfonowych, a inicjator wybrany jest spośród bezwodnika maleinowego, bezwodnika ftalowego, kwasu maleinowego, kwasu jabłkowego, kwasu ftalowego, kwasu benzoesowego, kwasu malonowego, kwasu askorbinowego, kwasu bornego, kwasu cytrynowego, chlorku cynku, chlorku glinu, innych cyklicz4

PL 205 238 B1 nych bezwodników organicznych i kwasów, i ich kombinacji, oraz, że zawartość procentowa, w odniesieniu do całkowitego ciężaru tego roztworu, dla alkoholu furfurylowego wynosi od 2% do 90%, dla inicjatora wynosi od 2% do 5%, a dla stabilizatora wynosi od wartości większej niż zero do 10%, a nastę pnie prowadzi się etap utwardzania, który odbywa się w zakresie temperatur od 25 do 140°C.

Korzystnie, utwardzanie przeprowadza się przez utrzymywanie w przybliżeniu temperatury pokojowej przez kilka dni lub tygodni.

Korzystnie, utwardzanie przeprowadza się przez zastosowanie temperatury w zakresie od 70°C do 140°C.

Korzystnie, do utwardzania zapewnia się konwencjonalne suszenie w piecu z wykorzystaniem normalnych przedziałów temperatur stosowanych do suszenia nieimpregnowanej tarcicy zielonej o tej samej wielkości i gatunku drewna co materiał impregnowany, przy temperaturach na początku utwardzania 45°C, a przy końcu 90°C, i z etapem końcowym po utwardzaniu prowadzonym w zakresie temperatur od 100°C do 140°C dla materiałów o maksymalnej twardości i suchości.

Korzystnie utwardzanie i suszenie przeprowadza się stosując wysokotemperaturowe przedziały pracy pieca w zakresie temperatur od 80°C do 120°C, z ewentualnym etapem końcowym po utwardzaniu prowadzonym w zakresie temperatur od 120°C do 140°C dla materiałów o maksymalnej twardości i suchości.

Korzystnie, utwardzanie przeprowadza się przez zanurzanie materiału impregnowanego w gorącym oleju, korzystnie w zakresie od 80°C do 120°C, albo przy temperaturze ustalonej albo rozpoczynając od temperatury niższej w tym zakresie i podnosząc ją w miarę jak postępuje proces utwardzania i suszenia.

Wykorzystanie drewna impregnowanego polimerem furanowym może być dowolne. Korzystne jest jednak zastosowanie go do wytwarzania elementów budowlanych, takich jak fasady, gzymsy, sidingi, progi, ościeżnice, elementy frezowane; do części łodzi, takich jak wręgi, odeskowanie, pokłady; do elementów portowych, takich jak doki, mola, pułapki na homary, słupki do jazów; do elementów użytku zewnętrznego, takich jak meble, pomosty, poręcze i schody, przejścia, chodniki z desek, wyposażenie placów zabaw; do elementów mostów, takich jak dźwigary, balustrady, odeskowanie pomostu; do podkładów kolejowych, listew chłodni kominowych, słupów linii napowietrznych, ciężkich belek drewnianych, słupów ogrodzeniowych, pali; do elementów autostrady, takich jak słupki do barier ochronnych, płyty do barier ochronnych, drogowskazy, słupki świetlne; do pokryć podłogowych i pojemników, takich jak zbiorniki, wiadra.

Dwoma kluczowymi elementami wynalazku są 1) zastosowanie wody jako rozcieńczalnika dla skatalizowanego monomeru alkoholu furfurylowego i 2) zastosowanie stabilizatorów, które umożliwiają rozpuszczalność w wodzie zainicjowanego monomeru i stabilność w czasie przechowywania.

Jeżeli wymieszać tylko 1), powstaje emulsja o ograniczonym okresie przydatności do użycia. Taką emulsją można nasycać drewno i utwardzać w tym drewnie jeśli wykorzystana zostanie w ciągu kilku dni. Jeśli jednak jest ona przechowywana dłużej, skatalizowany alkohol furfurylowy polimeryzuje w stopniu dostatecznym, aby mieszanin ę tę uczynić nieprzydatną do impregnowania drewna. Zastosowanie 2) daje mieszaninę, która jest stabilna podczas składowania przez kilka miesięcy.

Inicjatory mają podobne powinowactwo do drewna jak alkohol furfurylowy i są chemicznie związane z alkoholem furfurylowym, i dlatego wnikają w drewno i pozostają w roztworze tak głęboko, jak głęboko roztwór ten wnika w drewno. Gdziekolwiek roztwór wniknie, jest on tam zdolny do polimeryzacji. Inicjatory wybrane są spośród dowolnych, rozpuszczalnych w wodzie, organicznych związków zawierających bezwodniki jak również kwasów, włącznie z kwasem maleinowym, kwasem jabłkowym, kwasem ftalowym, kwasem cytrynowym, i kwasem benzoesowym. Jednak, korzystnie można stosować związek wybrany spośród bezwodnika maleinowego, bezwodnika ftalowego, i ich kombinacji, a korzystniej tylko bezwodnika maleinowego lub ftalowego. W dodatku do wyżej wymienionych, stabilizator może zawierać także boraks i sole sodowe kwasów lignosulfonowych. Aby sporządzić mieszaninę impregnującą o długim okresie przydatności do użycia według pozycji 2), w wodzie rozpuszcza się co najmniej jeden z inicjatorów, a korzystnie tylko jeden z tych inicjatorów oraz jeden lub dwa stabilizatory. Następnie dodaje się alkohol furfurylowy, wytwarzając mieszaninę, która w temperaturze pokojowej przydatna jest do użycia przez kilka miesięcy. Alternatywnie, alkohol furfurylowy można rozpuścić w wodzie, a następnie dodać stabilizator(y) i inicjator.

W przypadku potrzeby ograniczonej impregnacji powierzchniowej lub penetracji na końcu włókien, mieszaninę impregnującą można nanosić pędzlem, wałkiem, metodą natrysku lub namaczania.

PL 205 238 B1

W przypadku łatwo dających się impregnować gatunków drewna, gdzie nie jest wymagana głęboka penetracja, można stosować metodę próżniową. Aby osiągnąć głęboką i równomierną penetrację, dostępne są trzy sposoby: a) samo ciśnienie [od 1-10⁵ Pa do 10-10⁵ Pa (1 do 10 barów)], b) najpierw próżnia, a potem ciśnienie (proces pełno-komórkowy), c) ciśnienie atmosferyczne lub ciśnienie niskie [1 -10⁵ Pa (1 bar)], potem ciśnienie i końcowa próżnia (proces pusto-komórkowy).

W przypadku gatunków drewna trudnych do penetracji takich, jak świerk, można zastosować metodę ciśnienia oscylującego.

Czasy wymagane we wszystkich tych procesach zależą od wielu czynników, w tym od możliwości wyposażenia, wielkości drewna, gatunku drewna i pożądanej penetracji.

Sposób impregnacji stosowany ogólnie (pełno komórkowy) według niniejszego wynalazku jest następujący:

i) załadowanie naczynia drewnem i zabezpieczenie ładunku przed wypłynięciem, ii) zamknięcie pokrywy i zapewnienie właściwej próżni częściowej, iii) napełnienie naczynia mieszaniną impregnującą, przy utrzymaniu próżni, iv) zwiększeniu ciśnienia nad zanurzonym drewnem do ciśnienia w zakresie od 5-10⁵ Pa do 10-10⁵ Pa (5 do 10 barów) (75 do 150 psi) w zależności od gatunku drewna i innych czynników,

v) po dostatecznym okresie czasu pod ciśnieniem, zmniejszenie ciśnienia do wartości 2-10⁵ Pa lub 3-10⁵ Pa (2 lub 3 barów), i usunięcie płynu impregnującego przy pomocy pozostałego ciśnienia, vi) uwolnienie całkowite ciśnienia, otwarcie pokrywy i przeniesienie impregnowanego drewna do obszaru utwardzania.

Zawartość wilgoci w drewnie musi znajdować się poniżej punktu nasycenia włókna (około 30% MC (zawartości wilgoci w drewnie)) w strefie podlegającej impregnacji. Im niższa zawartość wilgoci, tym więcej związków chemicznych może służyć do impregnacji. Jeśli wymagana jest specjalna docelowa ilość związków chemicznych, to pod uwagę musi być wzięta odpowiednio zawartość wilgoci w drewnie i ilość mieszaniny przeznaczonej do impregnacji oraz odpowiednio dostosowane musi być stężenie związków chemicznych stosowanych do impregnacji.

Poniższe przykłady przedstawiono celem dalszej ilustracji niniejszego wynalazku i nie zostały one podane jako ograniczające zakres tego wynalazku.

Stężenia mieszanin impregnujących, które wypróbowane zostały ze skutkiem pozytywnym, w stosunku do ciężaru wody:

Stabilizatory	% stabilizatorów	% inicjatora (bezwodnika maleinowego)	% alkoholu furfurylowego
Boraks + lignina	8,5	2,3	30
Boraks + lignina	5,5	3	12
Boraks + lignina	5,5	2	8
Boraks + lignina	5,5	2	16
Boraks + lignina	5,5	2	24
Boraks + lignina	5,5	2	32
Boraks + lignina	5,5	2	40
Lignina	3	0,5	12
Wodorowęglan sodu + lignina	4	2	12
Wodorowęglan sodu + lignina	4,75	2	12
Wodorowęglan sodu + lignina	4	1,8	12
Węglan sodu	0,2	0,4	12
Węglan sodu	0,5	1	12
Węglan sodu	1	2	12
Węglan sodu	1,75	3,5	12

PL 205 238 B1

Można zastosować wszystkie inne stężenia alkoholu furfurylowego w wodzie (od około 5% do prawie 100% w odniesieniu do roztworu) z proporcjonalnymi ilościami inicjatora i roztworu buforowego, w zależności od pożądanego poziomu nasycenia produktu polimerem i właściwości materiału.

Poniżej około 5% w drewnie wytwarza się za mało polimeru, aby użytecznie zmienić jego właściwości, a zbliżając się do 100%, właściwości stają się bardzo zbliżone do tych według publikacji WO 02/30638. Jednak, niskie stężenia mogą być przydatne dla utrwalenia normalnie dających się wypłukać środków zabezpieczających, takich jak te na bazie boru i miedzi.

Operację mieszania zwykle zaczyna się od podgrzewania wody do temperatury około 40°C, co ułatwia dodanie bezwodnika maleinowego lub ftalowego i stabilizatora(ów) (jeśli stabilizatory są użyte). Gdy te dodatki stałe są całkowicie rozpuszczone w wodzie, roztwór zostaje schłodzony do temperatury od 20°C do 25°C i wówczas wprowadza się alkohol furfurylowy przy pomocy mieszania, i przechowywany jest w temperaturze od 15°C do 20°C. Alternatywnie, do wody można dodać najpierw alkohol furfurylowy, a potem pozostałe składniki. Jednak, praktycznie nie da się tego przeprowadzić w podwyższonej temperaturze ponieważ w mieszaninie może nastąpić polimeryzacja. Stąd też, sposób ten wymaga dłuższego czasu dla rozpuszczenia komponentów stałych, gdyż musi ono być przeprowadzone w temperaturze pokojowej lub niższej.

Utwardzanie może zachodzić w zakresie temperatur poczynając od około 25°C do około 140°C. Temperatury niższe (poniżej około 40°C) wymagają długiego czasu utwardzania (dni lub tygodni). Od około 70°C do około 100°C czas utwardzania liczony jest w godzinach. Temperatura powyżej 100°C sprawia, że czasy utwardzania są nawet krótsze, ale zwykle konieczne jest kontrolowanie wilgotności, ponieważ w przeciwnym przypadku może nastąpić gwałtowne wysuszenie powodujące rozczepianie i pę kanie drewna.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, para lub gorące, wilgotne powietrze utwardzające, w zakresie temperatur od około 70°C do 100°C, działa odpowiednio w ustalonej temperaturze w tym zakresie. W miarę, jak postępuje utwardzanie i suszenie można także podnosić temperaturę. Zasadniczo, jest to konwencjonalne temperaturowe suszenie w piecu. Utwardzanie i suszenie w gorącym oleju również działa odpowiednio w zakresie temperatur od 70°C do 120°C, i to zarówno w ustalonej temperaturze w tym zakresie, jak i w temperaturze wzrastającej w tym zakresie w miarę jak postę puje utwardzanie i suszenie. Utwardzanie i suszenie przy kontrolowanej wilgotnoś ci w ustalonej lub wzrastającej temperaturze w zakresie od 100°C do 120°C również działa odpowiednio. Zasadniczo, jest to wysokotemperaturowe suszenie w piecu. W tych temperaturach, przy zastosowanej proporcji inicjatora do alkoholu furfurylowego, alkohol furfurylowy będzie się utwardzał z łatwością. Utwardzanie w materiale o grubości od 10 mm do 20 mm będzie trwało od dwóch do trzech godzin, ale suszenie do końcowej zawartości wilgoci będzie trwało dłużej.

Materiał wyjściowy jest materiałem drewnianym, zwykle tarcicą, który ma postać bali (tarcica gruba), ale może nim być także drewniany materiał wieloskładnikowy, taki jak płyta o ukierunkowanych włóknach i płyta wiórowa, przy czym wykorzystywane mogą być materiały drewniane o dowolnych wymiarach.

Długość materiałów drewnianych jest ważna z punktu widzenia czasów obróbki i jednorodności impregnacji, ponieważ mieszanina impregnująca przechodzi bardzo szybko wzdłuż długości, ale bardzo powoli w poprzek włókien (prostopadle do osi drzewa). W przypadku przepuszczalnych materiałów drewnianych, takich jak buk i brzoza, równomierność impregnacji zależy od tego w jakim stopniu mieszanina impregnująca pozostaje jednorodna podczas przemieszczania się wzdłuż długości włókien i przechodzenia od porów do włókien. Po zakończeniu impregnacji drewna przepuszczalnego, wytworzony w ten sposób materiał drewniany posiada jednorodne właściwości na wskroś. Barwa, właściwości mechaniczne i odporność na wilgoć, czynniki atmosferyczne i psucie się są wszędzie takie same. Różne gatunki drewna, a nawet różne płyty z tych samych gatunków mogą impregnować się w różny sposób ze względu na różnice w przepuszczalności. Jest to cecha właściwa dla drewna. W przypadku gatunków drewna o niskiej przepuszczalności, impregnacja wzdłuż włókien przebiega powoli i głównym kierunkiem impregnacji może być kierunek poprzeczny w stosunku do włókien. W takim przypadku, mieszanina impregnująca, i otrzymane właś ciwości, zachowują jednorodność tak głęboko jak głęboko następuje wnikanie mieszaniny.

Materiał drewniany, w tym gorszego gatunku i materiał odpadowy, może być stosowany do wytwarzania szlachetnych wyrobów drewnianych takich, jak sztuczny teak, mahoń i inne, i również zapewniać im nowe właściwości takie, jak wodoodporność i odporność na warunki atmosferyczne oraz prostsze i zredukowane wymagania w zakresie konserwacji.

PL 205 238 B1

Zmierzając do uzyskania kombinacji, które dałyby rozpuszczalne w wodzie, utwardzalne mieszaniny o użytecznym okresie przydatności do użycia, wypróbowano różne rodzaje inicjatorów i stabilizatorów, i ich ilości.

Inicjatory zaproponowane do prób zostały wybrane spośród bezwodnika maleinowego, bezwodnika ftalowego, kwasu maleinowego, kwasu jabłkowego, kwasu ftalowego, kwasu benzoesowego, kwasu malonowego, kwasu askorbinowego, kwasu bornego, kwasu cytrynowego, chlorku cynku, chlorku glinu, innych cyklicznych bezwodników organicznych i kwasów, oraz ich kombinacji.

Natomiast stabilizatory wykorzystywane do prób wybrane zostały spośród węglanu sodu, wodorowęglanu sodu, cytrynianu sodu, fosforanów i rozpuszczalnych w wodzie pochodnych lignin, takich jak sole wapniowe i amonowe kwasów lignosulfonowych, a także boraksu.

Po wielu próbach, kilka rzeczy stało się oczywistymi:

1. Bezwodnik maleinowy okazał się najlepszym wypróbowanym inicjatorem. Jest on także pożądanym składnikiem ponieważ uważa się, że działa on jako środek wiążący się z drewnem.

2. Stabilizatory pomagają utrzymywać jednorodność mieszaniny przez dłuższy czas. W przeciwnym razie, mieszanina rozdziela się na składniki i jeden z nich osiada częściowo na dnie. Aby mieszanina bez stabilizatorów stała się przydatna, potrzebne jest silne wstrząsanie dla wytworzenia emulsji. Taka emulsja posiada ograniczony okres przydatności, zanim polimeryzacja nie sprawi, że nie nadaje się ona do impregnowania.

3. Mieszanina ze stabilizatorem(ami) wymaga, aby pH było w zakresie łagodnej kwasowości dla utworzenia jednorodnej, stabilnej mieszaniny, która następnie może być polimeryzowana w drewnie.

4. Przy podgrzewaniu mieszaniny, pH ulega obniżeniu (bardziej kwasowe), powodując utwardzanie.

Jako stabilizatory wypróbowano środki powierzchniowo czynne (mydła i detergenty) i roztwory buforowe. Boraks (dziesięciowodzian tetraboranu sodu) dawał mieszaniny homogeniczne, które dobrze penetrowały drewno. Mieszaniny zawierające 30% alkoholu furfurylowego i boraks były uznawane jako wciąż użyteczne po ponad pół roku przechowywania w temperaturze pokojowej. Dalsze prace wykazały, że inne stabilizatory, takie jak soda do prania (węglan sodu) i soda oczyszczona (wodorowęglan sodu) również działają dobrze. Stabilizatory te utrzymują w mieszaninie pH na stałym poziomie (buforują ją) do czasu zaimpregnowania drewna. Wtedy pH spada (staje się bardziej kwasowe), co powoduje polimeryzację. Zbuforowane mieszaniny, które przechowywały się dobrze, zwykle miały pH między 3,5 i 4,0. Po podgrzaniu w procesach utwardzania, pH spadało do zakresu 2,5 do 2,8 i zachodziła polimeryzacja. Mieszaniny zbuforowane wodorowęglanem sodu wykazywały odpowiedni czas przechowywania. Roztwór buforowy z węglanem sodu także daje użyteczne mieszaniny, nawet przy niższych stężeniach niż boraks lub wodorowęglan sodu. Stwierdzono, że pochodne ligniny same także działają jako stabilizatory. Jednak, lignina zwykle powoduje, że impregnacja jest mniej jednorodna.

Katalizowane emulsje bez stabilizatorów buforujących zwykle komponowano tak, aby miały pH bliskie 2,3, które obniżano do około 1,4 przy podgrzewaniu dla utwardzania.

Stwierdzono, że mieszaniny o stężeniu alkoholu furfurylowego od 8% do 900% w stosunku do wody (9% do 90% w stosunku do roztworu) nadawały drewnu odporność na wilgoć i gnicie, działając skuteczniej przy wyższych stężeniach. Jednak niższe stężenia poprawiają własności, sprawiając, że są one korzystniejsze w zastosowaniach, w których drewno nie impregnowane ulega psuciu. Te niższe stężenia mieszaniny są szczególnie interesujące z powodu niższego kosztu i jasnej barwy. Jednak dla ochrony pełnego zakresu stężeń uważanych za praktyczne i przydatne, poleca się mieszaniny na bazie wody o następujących przedziałach procentowych (w odniesieniu do roztworu):

Alkohol furfurylowy		Inicjator		Stabilizator
Niższy	Wyższy	Niższy	Wyższy	Niższy	Wyższy
2	90	2	5	0	10

PL 205 238 B1

Claims

1. Drewno impregnowane polimerem furanowym zawierające polimer pochodzący z polimeryzacji mieszaniny monomeru alkoholu furfurylowego, znamienne tym, że mieszanina ta zawiera co najmniej wodę, alkohol furfurylowy, stabilizator oraz inicjator, przy czym stabilizator wybrany jest spośród węglanu sodu, wodorowęglanu sodu, cytrynianu sodu, fosforanów i rozpuszczalnych w wodzie pochodnych lignin takich, jak sole wapniowe i amonowe kwasów lignosulfonowych, a inicjator wybrany jest spośród bezwodnika maleinowego, bezwodnika ftalowego, kwasu maleinowego, kwasu jabłkowego, kwasu ftalowego, kwasu benzoesowego, kwasu malonowego, kwasu askorbinowego, kwasu bornego, kwasu cytrynowego, chlorku cynku, chlorku glinu, innych cyklicznych bezwodników organicznych i kwasów, i ich kombinacji, oraz, że zawartość procentowa, w odniesieniu do całkowitego ciężaru tego roztworu, dla alkoholu furfurylowego wynosi od 2% do 90%, dla inicjatora wynosi od 2% do 5%, a dla stabilizatora wynosi od wartoś ci wię kszej niż zero do 10%, a ponadto, ż e drewno do impregnacji jest tarcicą zawierającą bale jak również materiały kompozytowe, takie jak płyta wiórowa, a ilość roztworu jest wystarczająca do zanurzania drewna przy jego głębokiej penetracji oraz do natryskiwania lub malowania pędzlem albo obracania przy jego powierzchniowej penetracji.

2. Drewno według zastrz. 1, znamienne tym, że pH wymienionej mieszaniny monomeru alkoholu furfurylowego wynosi od 2,5 do 4,0.

3. Sposób przygotowania drewna impregnowanego polimerem furanowym, znamienny tym, że obejmuje etap, w którym impregnuje się materiał drewniany obejmujący tarcicę i materiały kompozytowe, takie jak płyta wiórowa, mieszaniną zdolnego do polimeryzacji monomeru alkoholu furfurylowego, zawierającą co najmniej wodę, alkohol furfurylowy, stabilizator oraz inicjator, przy czym stabilizator wybrany jest spośród węglanu sodu, wodorowęglanu sodu, cytrynianu sodu, fosforanów i rozpuszczalnych w wodzie pochodnych lignin takich, jak sole wapniowe i amonowe kwasów lignosulfonowych, a inicjator wybrany jest spośród bezwodnika maleinowego, bezwodnika ftalowego, kwasu maleinowego, kwasu jabłkowego, kwasu ftalowego, kwasu benzoesowego, kwasu malonowego, kwasu askorbinowego, kwasu bornego, kwasu cytrynowego, chlorku cynku, chlorku glinu, innych cyklicznych bezwodników organicznych i kwasów, i ich kombinacji, oraz, że zawartość procentowa, w odniesieniu do całkowitego ciężaru tego roztworu, dla alkoholu furfurylowego wynosi od 2% do 90%, dla inicjatora wynosi od 2% do 5%, a dla stabilizatora wynosi od wartości większej niż zero do 10%, a następnie prowadzi się etap utwardzania, który odbywa się w zakresie temperatur od 25°C do 140°C.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że utwardzanie przeprowadza się przez utrzymywanie w przybliżeniu temperatury pokojowej przez kilka dni lub tygodni.

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że utwardzanie przeprowadza się przez zastosowanie temperatury w zakresie od 70°C do 140°C.

6. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że do utwardzania zapewnia się konwencjonalne suszenie w piecu z wykorzystaniem normalnych przedziałów temperatur stosowanych do suszenia nieimpregnowanej tarcicy zielonej o tej samej wielkości i gatunku drewna co materiał impregnowany, przy temperaturach na początku utwardzania 45°C, a przy końcu 90°C, i z etapem końcowym po utwardzaniu prowadzonym w zakresie temperatur od 100°C do 140°C dla materiałów o maksymalnej twardości i suchości.

7. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że utwardzanie i suszenie przeprowadza się stosując wysokotemperaturowe przedziały pracy pieca w zakresie temperatur od 80°C do 120°C, z ewentualnym etapem końcowym po utwardzaniu prowadzonym w zakresie temperatur od 120°C do 140°C dla materiałów o maksymalnej twardości i suchości.

8. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że utwardzanie przeprowadza się przez zanurzanie materiału impregnowanego w gorącym oleju, korzystnie w zakresie od 80°C do 120°C, albo przy temperaturze ustalonej albo rozpoczynając od temperatury niższej w tym zakresie i podnosząc ją w miarę jak postę puje proces utwardzania i suszenia.

9. Zastosowanie drewna impregnowanego polimerem furanowym określonego w zastrz. 1 i 2, lub przygotowanego sposobem określonym w zastrz. 3 do 8, do wytwarzania elementów budowlanych, takich jak fasady, gzymsy, sidingi, progi, ościeżnice, elementy frezowane; do części łodzi, takich jak wręgi, odeskowanie, pokłady; do elementów portowych, takich jak doki, mola, pułapki na homary, słupki do jazów; do elementów użytku zewnętrznego, takich jak meble, pomosty, poręcze i schody,

PL 205 238 B1 przejścia, chodniki z desek, wyposażenie placów zabaw; do elementów mostów, takich jak dźwigary, balustrady, odeskowanie pomostu; do podkładów kolejowych, listew chłodni kominowych, słupów linii napowietrznych, ciężkich belek drewnianych, słupów ogrodzeniowych, pali; do elementów autostrady, takich jak słupki do barier ochronnych, płyty do barier ochronnych, drogowskazy, słupki świetlne; do pokryć podłogowych i pojemników, takich jak zbiorniki, wiadra.