Физические явления в процессах пропитки древесины

Промышленные методы пропитки древесины применяются уже более 100 лет, и на сегодняшний день их существует большое разнообразие. Они обеспечивают различные глубину проникновения защитных средств в материал, трудоемкость, экологичность и т.п. и выбираются исходя от свойств и размеров пропитываемой древесины, сроков выдержки ее до использования, от времени года, а также условий эксплуатации.
Любой способ должен соответствовать основным требованиям:
а) быть эффективным (главным условием суммарной эффективности способа является не только возможность с его помощью получить необходимую степень защиты, но и его рациональность в тех или иных условиях);
б) быть производительным, но соотноситься с объемом пропитки;
в) быть доступным, т.е. предполагать использование:
- недефицитного оборудования,
- небольшой величины капитальных вложений,
- невысокой металлоемкости оборудования,
- несложных строительно-монтажных работ,
- простой эксплуатации механизмов,
- низкой энергоемкости процесса,
- доступность применяемого защитного средства (его недефицитность, невысокая стоимость, возможность легкой доставки с завода-изготовителя и т.п.);
г) быть безопасным, что определяется:
- токсичностью применяемого защитного средства,
- степенью и характером контакта человека с защитным средством на разных стадиях производства,
- эффективностью оградительной техники, ограничивающей или вообще исключающей нахождение человека в опасной зоне,
- эффективностью используемых индивидуальных защитных средств.
Существует большое разнообразие технологических приемов пропитки, различающихся между собой по скорости проникновения защитного вещества в древесину на заданную величину. Характер физикохимических явлений, сопровождающих проникновение веществ и их растворов, очень сложен и не вполне изучен.
Процессы пропитки древесины можно рассматривать как совокупность следующих физических явлений:
- движения жидкости в древесине под действием капиллярного давления;
- движения жидкости в древесине под действием избыточного давления;
- диффузионного перемещения молекул или ионов пропитывающих веществ в древесине по полостям клеток, заполненных водой.
Производственные процессы пропитки протекают обычно в условиях совместного действия всех указанных явлений, но эффективность того или иного из них может быть различной при разных способах пропитки.
Механизм перемещения жидкости в древесине под действием капиллярных сил в случае, когда влажность древесины ниже 30%, можно представить следующим образом. Жидкость будет заполнять полости микрокапилляров (сосудов, трахеид) в образце, полностью погруженном в пропиточную жидкость, под действием капиллярного всасывания, которое происходит в результате перепада давления, равного

где ?P - перепад давления;
Pc - давление окружающей древесину среды (раствора);
Pк - капиллярное давление;
Pв - давление защемленного внутри древесины воздуха.
Известно, что равнодействующая молекулярных сил в поверхностном слое жидкости направлена внутрь этой жидкости (рис. 7.2).

Сила натяжения в поверхностном слое жидкости, отнесенная к единице длины, называется коэффициентом поверхностного натяжения ?n. Поверхностное натяжение является причиной появления добавочного (капиллярного) давления. Величина капиллярного давления определяется выражением

где ? - краевой угол (угол смачивания);
r - радиус капилляра.
При соприкосновении капилляра достаточно малого диаметра с жидкостью в ней образуется мениск. Положительное капиллярное давление (несмачивающая жидкость) вызывает снижение уровня в капилляре (мениске), а отрицательное давление (смачивающая жидкость) -повышение этого уровня.
С целью повышения эффективности капиллярной пропитки целесообразно применять жидкости маловязкие, хорошо смачивающие древесину, и подогретые, поскольку с повышением температуры снижается их вязкость и повышается скорость проникновения в древесину.
Возможно также использование капиллярного движения жидкости в древесине для пропитки ее на корню. В стволе растущего дерева подрубают заболонь и к месту подруба подают водный раствор пропитывающего вещества. За счет испарительной способности кроны древесный сок поднимается по стволу и испаряется, а его место в стволе занимает пропитывающий раствор. Такая пропитка из-за сложности ее организации и неравномерности по объему практического распространения не получила.
Механизм диффузионной пропитки основан на том, что молекулы или ионы соли из пропиточного раствора или пасты, замешанной на этом растворе, диффундируют из раствора (пасты) в воду, заполняющую полости клеток сырой древесины. Диффузия возникает благодаря разности концентраций антисептика в пасте или растворе, соприкасающихся с поверхностью сортимента, и во влаге, находящейся внутри древесины, и теоретически продолжается до выравнивания этих концентраций.
Плотность диффундирующего потока характеризуется уравнением Фика:

где D - коэффициент диффузии, м2/с;
d?/dx - градиент концентрации вещества в воде, находящейся в полостях клеток, кг/(м3*м).
Коэффициент диффузии тех или иных веществ в древесину зависит от ее температуры и влажности, вязкости растворителя, размера диффундирующих молекул или ионов, а также направления потока относительно волокон. Диффузия молекул или ионов пропитывающего вещества в капиллярной системе древесины протекает значительно медленнее, чем в свободном растворе, в силу того обстоятельства, что лишь часть поперечного сечения древесного материала заполнена жидкостью, к тому же движущиеся частицы вынуждены преодолевать дополнительные сопротивления при прохождении через мембраны пор. Расчетами установлено, что коэффициенты диффузии для свежесрубленной древесины хвойных пород равны:

где D0 - коэффициент диффузии для свободных растворов, м 2/с.

где R - универсальная газовая постоянная (8,31*10в7), Дж/(моль*К);
T - абсолютная температура, К;
N- число Авогадро (6,023*10в23), 1/моль;
? - вязкость растворителя, кг/(м*с);
r - радиус диффундирующих молекул, м.
Во время пропитки вещество диффундирует с поверхности в более глубокие слои заболони. Диффузия в ядро практически отсутствует, так как коэффициент диффузии в ядровую древесину из-за ее низкой влажности и пониженной проницаемости на 2...3 порядка меньше, чем в заболонную.
Важным показателем процесса пропитки является величина поглощения защитного вещества древесиной. Величина поглощения в заданной точке определяется по формуле

где ?х - концентрация раствора в заданной точке, кг/м3;
Pq - базисная плотность древесины, кг/м3;
W - фактическая влажность древесины, %;
Wпн - влажность, соответствующая пределу насыщения волокна древесины, %.
Движение жидкости в древесине также может осуществляться за счет создания при пропитке избыточного давления среды по отношению к давлению внутри древесины разными методами, основанными:
- на выдержке предварительно нагретой древесины в холодном растворе защитного вещества;
- на последовательном воздействии на древесину повышенного и пониженного давления пропитывающей жидкости и воздуха.
Пропитка в ванных с предварительным нагревом древесины отличается простотой технологических приемов. Древесину первоначально выдерживают некоторое время в горячей жидкости или нагревают другим способом, а затем помещают в ванну с относительно холодной жидкостью, где и происходит собственно пропитка.
При нагревании возрастает давление паровоздушной смеси в полостях клеток отчасти за счет температурного расширения, а главным образом - за счет роста парциального давления пара. Вследствие газопроницаемости древесины паровоздушная смесь из нее частично удаляется и давление снижается до атмосферного, причем основную долю его составляет парциальное давление водяного пара, соответствующее температуре и степени насыщения его в полостях клеток.
При последующем охлаждении древесины, полностью погруженной в жидкость, давление в полостях клеток снижается как в результате собственно температурного эффекта, так и в основном за счет конденсации водяного пара. Давление жидкости в ванне, равное атмосферному, становится избыточным по отношению к вакууму, образовавшемуся в поверхностных слоях древесины. Под действием образовавшегося перепада давления и происходит поглощение древесиной пропитывающей жидкости. Перепад давления определяется выражением

где ра - атмосферное давление;
рn2 - давление насыщения водяного пара в полостях клеток охлажденной древесины, соответствующее температуре холодной ванны;
pn1 - парциальное давление водяного пара в полостях клеток нагретой древесины;
T1 - средняя абсолютная температура нагретой древесины;
T2 - средняя абсолютная температура охлажденной древесины.
Перепад давления ?p зависит от разности давлений pn1 и pn2, которая, в свою очередь, зависит от влажности древесины, разности температур в нагретом и охлажденном состоянии. В значительной степени влияние оказывает температура нагретой древесины. При повышении ее ?p существенно возрастает, даже если указанная выше разность температур остается такой же. В любом случае при пропитке древесины в горяче-холодных ваннах перепад ?p не может быть выше барометрического давления.
Автоклавный метод основывается на создании значительного перепада давления (до 1,5 МПа) за счет помещения древесины то в вакуумную среду, то в условия повышенного давления пропиточного раствора. Для этого древесину загружают в герметичный автоклав, который заполняют пропитывающей жидкостью. Разряжение и повышенное давление в автоклаве создается с помощью насосов или компрессора.
Плотность потока жидкости в древесине под действием избыточного давления определяется как

К - коэффициент проводимости древесины, кг/(м*с*Па).
Коэффициент проводимости характеризует массу жидкости, проходящей в единицу времени через древесный образец площадью 1 м2 при градиенте давления 1 Па/м.
Он зависит от породы и местоположения древесины в стволе, ее температурно-влажностного состояния, направления потока жидкости относительно волокон и свойств пропитывающей жидкости. Численные значения этого коэффициента устанавливаются экспериментально. Так, для заболони сосны при пропитке поперек волокон водными растворами солей

где W - влажность древесины, %;
? - концентрация раствора, %;
р - давление жидкости, МПа.
Формула справедлива в диапазоне влажности 8...50%, температуре раствора до 60°С, его концентрации до 15% при давлении 0,1...0,5 МПа. Во всех случаях расчеты получаются достаточно надежными только для легкопропитываемой древесины, имеющей не слишком большую влажность. Дело в том, что хотя создание избыточного давления - весьма эффективное средство введения в древесину жидкостей, однако оно не дает возможности производить сквозную пропитку древесины любых пород во всех случаях. Хорошо пропитывается под действием внешнего давления только древесина заболони влажностью, не превышающей 50...60%. Очень сырые сортименты и сортименты труднопропитываемых пород требуют перед пропиткой проведения дополнительных операций по подготовке древесины. Более детально вопросы технологии пропитки рассматриваются далее.