PL224508B1 - Sposób modyfikacji tworzyw drzewnych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikacji tworzyw drzewnych w celu ograniczenia spęcznienia tych materiałów. Sposób dotyczy zwłaszcza takich tworzyw drzewnych, jak otrzymywane z włókien drzewnych płyty MDF.

Płyty z włókien drzewnych są wytwarzane w wyniku sprasowania włókien drzewnych z dodatkiem środków wzmacniających (kleje) i hydrofobowych (parafiny) w specjalistycznych prasach w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Jest to materiał o jednorodnym składzie surowcowym w całym przekroju, dzięki czemu dobrze się obrabia mechanicznie w procesie skrawania. Sposób wytwarzania takich wyrobów jest przedstawiony na przykład w opisie patentowym PL207747.

Prasowane tworzywa drzewne zarówno wykonane z włókien drzewnych, jak i z wiórów drzewnych, stosowane w przemyśle budowlanym lub meblarskim, posiadają tendencję do pęcznienia. Zwiększenie odporności na wodę w celu ograniczenia spęcznienia wyrobów uzyskuje się przez dodatek środków hydrofobowych, takich jak np. parafiny. Ilość wprowadzanej parafiny wynosi na ogół 0,3 -2% w odniesieniu do masy zupełnie suchych włókien. Przykładowo z polskiego opisu patentowego PL200705 znany jest sposób hydrofobizacji lignocelulozy przy wytwarzaniu tworzyw drzewnych, a zwłaszcza hydrofobizacji włókien drzewnych, wiórów drzewnych i włókien pasmowych, w którym do włókien lignocelulozy dodaje się środek hydrofobizujący na bazie parafiny, a następnie włókna suszy się i sprasowuje do postaci tworzywa drzewnego.

Znana jest także metoda modyfikacji termicznej włókien drzewnych, używanych następnie do wytwarzania MDF. Ayrilmis i Współautorzy (Ayrilmis, N.; Jarusombuti, S.; Fueangvivat, V.; Bauchongkol, P., 2011: Effects of thermal treatment of rubberwood fibres on physical and mechanical properties of medium density fibreboard. Journal of Tropical Forest Science, 23; 1, 10-16) zbadali wpływ modyfikacji termicznej włókien drzewnych lokalnego gatunku z Malezji (rubberwood), z których otrzymano MDF. Modyfikacje przeprowadzono z temperaturach 120, 150 i 180°C, w czasie 15 lub 30 min, w autoklawie, w warunkach laboratoryjnych. Z modyfikowanych włókien drzewnych oraz z wykorzystaniem żywicy mocznikowo-formaldehydowej otrzymano MDF o obniżonym spęcznieniu i spełniający wymagania EN. Podobne badania wykonał Garda i Współautorzy (Garda, R. A.; Cloutier, A.; Riedl, B., 2006: Dimensional stability of MDF panels produced from heat-treated fibres. Holzforschung 60: 3, 278-284), którzy poddali modyfikacji termicznej włókna drzewne z drewna sosnowego, świerkowego i jodłowego, z dodatkiem włókien z drewna brzozowego. Otrzymany MDF z modyfikowanych włókien charakteryzował się mniejszym spęcznieniem na grubość. Nie stwierdzono istotnego statystycznie obniżenia właściwości mechanicznych MDF otrzymanego z modyfikowanych włókien.

Ayrilmis i Współautorzy, w innej publikacji (Ayrilmis, N.; Laufenberg, T. L.; Winandy, J. E., 2009: Dimensional stability and creep behavior of heat-treated exterior medium density fiberboard. European Journal of Wood and Wood Products, 67: 3, 287-295), przedstawili wyniki badań dotyczących poddania modyfikacji termicznej MFD z żywicą fenolowo-formaldehydową. Modyfikacji dokonano pomiędzy półkami prasy, w warunkach ograniczonego dostępu tlenu. W wyniku procesu osiągnięto zmniejszenie spęcznienia MDF.

Z opisu międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO 9947321 znany jest sposób wytwarzania płyty drewnianej warstwowej, stabilnej wymiarowo, którą poddaje się przemiennie działaniu podciśnienia i pary wodnej pod ciśnieniem, w komorze próżniowo-ciśnieniowej. Tak potraktowana płyta wykazuje w eksploatacji zmniejszone pęcznienie pod działaniem wody, względnie wilgoci.

Procesy modyfikacji termicznej litego drewna w praktyce przemysłowej przeprowadza się w specjalistycznych komorach w atmosferze pary przegrzanej, spalin, azotu lub gorącego oleju.

Celem wynalazku było opracowanie uproszczonej i skutecznej metody ograniczenia spęcznienia tworzyw drzewnych, szczególnie MDF.

Modyfikacja tworzyw drzewnych według wynalazku polega na obróbce termicznej tworzywa drzewnego w atmosferze gorącego powietrza.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku gotowe tworzywo drzewne ogrzewa się w atmosferze gorącego powietrza, w systemie otwartym, w temperaturze wewnątrz tworzywa w zakresie 160°C -190°C, z gradientem temperatury pozwalającym na wniknięcie ciepła do wnętrza tworzywa, w czasie 0,1 h-1,5 h, przy intensywnej cyrkulacji powietrza.

W celu zrealizowania wynalazku można umieścić tworzywo w komorze z powietrzem o temperaturze w zakresie 160°C-190°C. Możliwe jest również ogrzanie płyty do wymaganej temperatury

PL 224 508 B1 procesu modyfikacji w przyspieszony sposób z wykorzystaniem generatora wielkiej częstotliwości (HF).

Korzystnie, po ostudzeniu tworzywa drzewnego lub elementu przeznaczeniowego z MDF, nawilża się je do wilgotności równoważnej dla warunków eksploatacji wyrobu gotowego. Nawilżanie po ostudzeniu wyrobu przeprowadza się w środowisku z parą wodną w podwyższonej temperaturze w celu przyspieszenia nawilżania.

Korzystnie stosowanym do modyfikacji materiałem jest suchotrwałe tworzywo drzewne, MDF lub elementy przeznaczeniowe wykonane z MDF.

Najkorzystniej proces według wynalazku prowadzi się w temperaturze 180°C i w czasie 0,5 h. Wyrób, np. suchotrwałą płytę MDF, ogrzewa się z taką prędkością, aby ciepło mogło wniknąć do wnętrza płyty. Najkorzystniej ogrzewa się płytę z gradientem temperatury od 3 do 120°C na godzinę. Po dczas ogrzewania zapewnia się intensywną cyrkulację powietrza w celu zapewnienia równomiernego rozkładu temperatur we wnętrzu komory i modyfikowanego materiału. Korzystnie jest, jeżeli po osiągnięciu temperatury około 100°C zmniejsza się gradient temperatury, w celu uniknięcia dysproporcji pomiędzy temperaturą wewnątrz komory, w której przebiega proces, a temperaturą wewnątrz modyfikowanego tworzywa drzewnego poddawanego procesowi, do czasu odparowania wody.

Parametry prowadzenia procesu ustala się w zależności od oczekiwanego efektu, tj. założonej redukcji spęcznienia oraz oczekiwanego lub akceptowalnego stopnia zmiany barwy tworzywa.

W sposobie według wynalazku, w odróżnieniu od metod znanych ze stanu techniki, modyfikacji termicznej poddaje się gotowe tworzywo drzewne, a ogrzewanie prowadzi się w warunkach pełnego dostępu tlenu, w systemie otwartym. W znanych rozwiązaniach termiczna modyfikacja dotyczyła surowca drzewnego, a stosowane w praktyce procesy przebiegały w środowisku np. przegrzanej pary wodnej, azotu, spalin lub oleju. Zastosowanie systemu otwartego zapewnia stały dopływ tlenu i stałe usuwanie produktów powstających w procesie, co ma kluczowe znaczenie dla uzyskania efektu odporności wyrobu na spęcznienie.

Efektem przeprowadzenia procesu zgodnie z wynalazkiem jest redukcja spęcznienia płyt MDF o około 57% w stosunku do spęcznienia płyt nie poddanych obróbce termicznej. Należy podkreślić, że proces według wynalazku jest stosowany do modyfikacji wyrobów suchotrwałych. Wyroby takie, w odróżnieniu od wyrobów wodoodpornych, zawierają tylko minimalną ilość chemicznych środków hydrofobowych. Sposób według wynalazku pozwala zatem na otrzymanie wyrobów drzewnych wodoodpornych o znacząco obniżonej zawartości dodatków chemicznych, co ma istotne znaczenie dla procesu ich wytwarzania i użytkowania.

Dodatkowym efektem obróbki termicznej jest zmiana barwy (ściemnienie - obniżenie parametru jasności) płyt, przy czym jest ona uzależniona od parametrów obróbki. W wyniku obróbki termicznej następuje nieznaczna redukcja właściwości wytrzymałościowych MDF takich jak: wytrzymałość na zginanie statyczne, moduł sprężystości przy zginaniu statycznym, twardość Brinella, odpowiednio 12%, 7% i 15%, dla podanych wcześniej najkorzystniejszych parametrów.

Wytworzone zgodnie z wynalazkiem tworzywa drzewne modyfikowane termicznie, np. płyty MDF, mogą być stosowane jako zamienniki płyt o zwiększonej odporności na działanie wilgoci uzyskanej przez dodatki chemiczne, do wytwarzania elementów narażonych na działanie powietrza o podwyższonej wilgotności względnej. Płyta może być stosowana zarówno w meblarstwie, jak i w budownictwie do aranżacji wnętrz.

Modyfikacji sposobem według wynalazku poddawane są pojedyncze całe arkusze płyt lub elementy przeznaczeniowe wykonane z tych płyt, przy czym proces może przebiegać w sposób cykliczny lub ciągły.

Sposób według wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładzie.

P r z y k ł a d.

Suchotrwałą płytę MDF o spęcznieniu po 24 godzinach 22% według danych producenta (i określonego według PN-EN-317) umieszczono w komorze suszarki laboratoryjnej z wymuszoną intensywną cyrkulacją i z otwartym maksymalnie kominkiem wylotowym, ze stałym dopływem gorącego powietrza i odpływem powstałych w wyniku rozkładu termicznego drewna lotnych substancji. Płytę ogrzewano z gradientem określonym empirycznie za pomocą termopar i rejestratora wielokanałowego temperatur tak, by ciepło wniknęło do środka płyty i przebiegi przyrostu temperatur w czasie, zarówno w suszarce, jak i w środku płyty były podobne. MDF ogrzewano do temperatury 180°C mierzonej

PL 224 508 B1 w środku grubości płyty. Po osiągnięciu temperatury zasadniczej procesu modyfikacji utrzymano ją przez czas 0.5 godziny. Następnie płytę schłodzono i nawilżono do wilgotności równoważnej dla warunków klimatu normalnego. Spęcznienie płyty w stosunku do spęcznienia płyty niemodyfikowanej uległo obniżeniu o około 57%.

Claims (6)

1. Sposób modyfikacji tworzyw drzewnych z wykorzystaniem modyfikacji termicznej, znamienny tym, że tworzywo drzewne ogrzewa się w atmosferze gorącego powietrza, w systemie otwartym, w temperaturze wewnątrz tworzywa w zakresie 160°C-190°C, którą uzyskuje się przez stopniowe ogrzewanie tworzywa w komorze z gradientem temperatury pozwalającym na wniknięcie ciepła do wnętrza tworzywa, w czasie 0,1 h-1,5 h, przy zapewnieniu intensywnej cyrkulacji powietrza.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperaturę ogrzewania wewnątrz tworzywa drzewnego uzyskuje się przez umieszczenie tworzywa w komorze z powietrzem o temperaturze w zakresie 160°C-190°C.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperaturę ogrzewania wewnątrz tworzywa drzewnego uzyskuje się z wykorzystaniem szybkiego ogrzewania w polu wielkiej częstotliwości (HF).

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po ostudzeniu tworzywa, nawilża się je do wilgotności równoważnej dla warunków eksploatacji wyrobu gotowego.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do modyfikacji stosuje się tworzywo drzewne z włókien drzewnych lub z wiórów drzewnych.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że tworzywem drzewnym jest suchotrwała płyta MDF lub półprodukt z tego materiału.