Zariadenie a spôsob povrchovej úpravy dreva, drevených vlákien a materiálov na báze dreva

Číslo patentu: U 5951

Dátum: 05.12.2011

Autori: Ráheľ Jozef, Černák Mirko

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka zariadenia a spôsobu povrchovej úpravy dreva, drevených vlákien a materiálov na báze dreva elektrickou plazmou povrchových bariérových elektrických výboj ov pri tlakoch blízkych atmosférickému a následných povrchových úpravy takto opracovaných materiálov.Východiskové drevené materiály ako dosky, dýhy a drevené vlákna veľmi často nemajú povrchové vlastnosti potrebné pre náročné aplikácie. Na zušľachťovanie lacných a ľahko dostupných východiskových drevných materiálov na finálne produkty sa preto bežne používajú napr. promotéri adhézie obsahujúce prchavé organické zlúčeniny, surfaktanty a rôzne iné chemikálie. Použitie týchto chemikálií je však často problematické zo zdravotného i environmentálneho hľadiska. Ako dôsledok vznikla trvalá potreba vývoja enviromnentálne prijateľnej ších, účinnejších a menej nákladných netradičných metód povrchových úprav dreva.Podobne ako V prípade východiskových drevených materiálov, často je potrebné zlepšiť povrchové vlastnosti materiálov na báze dreva, ako sú napriklad povrchovo upravené i neupravené, ako i laminované drevené a drevotrieskové dosky, pre glejky, dýhy a vrstvy drevených vlákien.V ďalšom texte, ako to nebude bližšie špecifikované, budeme pod termínom materiály na báze dreva rozumiet povrchovo upravené i neupravenć, ako i laminované drevené a drevotriesková dosky, preglejky, dyhy a vrstvy drevených vlákien.Aplikácia neizotermickej plazmy je dobre odskúšanou a široko používanou technikou na leptanie a povrchové úpravy v elektronickom priemysle. Neizoterrnická plazma sa čoraz viac sa používa na úpravy polymérnych povrchov i v leteckorn, automobilovom, zdravotníckom, obalovom a textilnom priemysle. Sú známe i rôzne povrchové úpravy materiálov na báze dreva účinkom neizotermickej elektrickej plazmy. Pri generácii neizotermickej plazmy dochádza účinkom silného elektrického poľa k ionizácii molekúl plynu, čím vznikajú elektróny a kladné ióny. Elektróny v silnom elektrickom poli získajú vysokú energiu zodpovedajúcu teplote rádovo až 104 Ka pri ich zrážkach s molekularni plynu dochádza k tvorbe chemicky aktívnych častíc a vzbudených molekúl. Teplota pracovného plynu sa pri generácii neizotermickej plazmy význanme nezvýši, čiže molekuly plynu nie sú V tepelnej rovnováhe s elektrónmi, takže nedochádza k terniickému poškodeniu opracovávaného materiálu na báze dreva.Nevýhodou bežne dostupných zariadení na povrchové úpravy polymémych materiálov plazmou je skutočnosť, že pracujú iba pri nizkom tlaku, čo zvyšuje cenu zariadení a náklady, keďže je nevyhnutné používať kapitálovo náročné vákuové zariadenia obsluhované kvaliñkovaným personálom. Pri nízkych tlakoch pracovného plynu je tiež prakticky nemožné kontinuálne opracovanie materiálov, čo je zvlášť významné a kritické, keď sa plazma pri nízkom tlaku aplikuje na opracovanie materiálov na báze dreva, ako je uvedené napríklad v Japonských patentoch JP 11042611, IP 103054 l 0, JP 6 l 06508, JP 6099409, 1195069417, v Ruskom patente RU 2185283, a v F. Denes, L. Nielsen and X. Tu Improvement of Biobased Fiber- Plastic Composite Properties Through Cold Plasma Treatments, 1996. Wood-Fiber Plastic Composítes, Proceedings No. 7293, Forest Products Research Soc., Madison, W 1., pp 227-234, H. Sabharwal, F. Denes, a L. Nielsen Free Radical Formation in Lignocellulosics from Argon Plasma Treatment J . Agric. Food Chem 41 (1993) 2202,a v W.L.E Magalhaes a M.F. de Souza Solid softwood coated with plasma-polymer for water repellence Surface and Coat. Technology l 55(2002)11-15 a v A.R. Denes, R.A. Young Reduction of weathering degradation of wood through plasma-polymer coating Holzforschung 53(1999) 632-640.Súčasný trend v priemyselných aplikáciách nizkoteplotnej plazmy je nahradiť opracovanie plazmou vo vákuových systémoch opracovaním plazmou pri atmosférickom tlaku. Ako je uvedene v Nemeckom patente DE 199 578 775 a v Podgorskj L., Chevet B., Onic L., Merlin A. Modification of wood wettability by plasma and corona treatments Inter. Journal of Adhesion and Adhesives (2000)l 03- ll, P Rehn, W. Viol Dielectric barrier discharge treatments at atmospheric pressure for wood surface modification Holz als rohund werkstoff 6 l(2003)145- 150, ako i v M. Bente, G. Avramidis, S. Foerster, E. G. Rohwer a W. Viol Wood surface modification in dielectric barrier discharges at atmospheric pressure for creating water repellent characteristics Holz Roh Werkst 62(2004)l 57-l 63 na opracovanie povrchu dreva boli testované plazmové technológie pôvodne navrhnuté na opracovanie polymémych fólií a podobných materiálov pri atmosférickom tlaku založené na štandardnom objemovom bariérovom výboji alebo zdrojoch plazmy typu priemyselnej koróny, kde je opracovávaný materiál vložený medzi elektródy zaradenia, alebo je použitý priamo ako jedna z elektród, pričom prúdočiary posuvného prúdu tečúceho medzi elektródami prechádzajú oboma povrchmi opracovávaného materiálu. Významnou nevýhodou technológie na báze bariérového výboja alebo priemyselnej koróny je veľká spotreba energie, nehomogénne opracovanie povrchu, problém s opracovaním suchých a hrubých materiálov s veľkým elektrickým odporom, bezpečnostné riziko spojené s použitím opracovanćho dreveného materiálu ako elektródy výboja, ako i nebezpečenstvo vzniku iskrového výboja vprašnom a vlhkom prostredí bežnom v drevospracujúcom priemysle. Elektródy takýchto zariadení taktiež nie sú bezpečné pri náhodnom dotyku s povrchom ľudského tela.Spôsob a zariadenie na povrchovú úpravu dreva s použitím zdokonaleného hariérového výboja je opísané V P. Rehn, A. Wolkenhauer, M. Bente, S. Förster, W. Viöl Wood surface modification in dielectric barrier discharges at atmospheric pressure Surface and Coating Technology, l 74-175(2003)5 l 5-518, kde je homogenita plazmy a tým i opracovania zlepšená rýchlym prúdením pracovného plynu. I pri tomto spôsobe však elektrický bariérový výboj horí oproti povrchu opracovávanćho dreva, takže prúdočiary posuvného prúdu prechádzajú cez oba povrchy opracovaného materiálu, čo spôsobuje problém s opracovaním suchých a hrubých materiálov o veľkom elektrickom odpore. Ďalšou nevýhodou tohto spôsobu je potreba veľkého prietoku pracovného plynu, čo má za následok jeho veľkú spotrebu i tvorbu veľkého množstva exhalátov. Ďalšou nevýhodou je značná spotreba energie 0,1 kWh na m 2 aktivovaného povrchu dreva. Elektródy zariadenia taktiež nie sú bezpečné pri náhodnom dotyku s povrchom ľudského tela.Nedostatky vyššie uvedených spôsobov a zariadení sú odstránené zariadením podľa technického riešenia,kde sa povrch materiálu na báze dreva pôsobí tenkou, výhodne tenšou než l mm a hrubšou než 0,05 mm, difúznou vrstvou silne neizotermickej elektrickej plazmy generovanou na časti povrchu dielektrického materiálu, výhodne kerarnického materiálu, alebo skla, výhodne nad povrchom vodivých elcktród uložených v tomto dielektrickom materiáli. Plazmou opracovaný povrch sa nachádza v blízkosti, výhodne vo vzdialenosti väčšej než 0,05 mm a menšej než l mm, od povrchu dielektrického materiálu, na ktorom sa generuje tenká vrstva plazmy.Plazma sa generuje V ľubovoľnom pracovnom plyne, výhodne v pracovnom plyne neobsahujúcom hélium a obsahujúcom molekuly N 1, O 2, HzO, C 02, halogénuhľovodíkov, alebo pár monomérov. Zariadenie podľa technického riešenia môže pracovať v širokom rozsahu tlakov pracovného plynu rádovo od 1 kPa do 1000 kPa,výhodne pri atmosférickom tlaku a pri rýchlosti prúdenia plynu menšej než 10 rn/s.Difúzna plazma sa generuje na povrchu dielektrického materiálu oddeľujúceho elektricky vodivé elektródy zariadenia umiestnené v objeme tohto dielektriká, v tenkej vrstve výhodne v oblasti nad vodivýrni elektródamí, pričom vodivé elektródy nie sú v kontakte s plazmou. Medzi elektródy sa privádza striedavé alebo impulzné elektrické napätie o frekvencii 50 Hz až l GHz o arnplitúde 100 V až 100 kV. Minimálna vzdialenosť elektród na ktoré sa privádza striedavé napätie je menšia než 2 mm a väčšia než 0,05 mmElektródy sú usporiadané tak, že významná časť toku siločiar elektrického poľa, ktorá je väčšia ako 50 veľkosti celkového toku siločiar elektrického poľa medzi elektródarni oddelenýrni vrstvou dielektrického materiálu, ktoré sú napáj ané stríedavým elektrickým napätím, neprechádza cez plazmou opracovávaný povrch materiálu. Pri takomto usporiadani sú elektródy, na ktoré sa nakladá elektrické napätie za účelom generácie plazmy umiestnené na tej istej strane opracovávaného materiálu, alebo opracovávanej vrstvy drevených vlákien.Prekvapujúco bolo zistené, že spôsobom podľa technického riešenia je nad povrchom vodivých elektród,uložených opísaným spôsobom v dielektrickom materiáli, možné generovať difúznu plazmu s vysokým objemovým výkonom až rádu 100 W/cm 3 vhodnú na rýchle opracovanie povrchu materiálov na báze dreva i pri dobách opracovania rádu 0,1 s až 1 s. Výhodou predmetného technického riešenia je, že takúto difúznu plazmu je možné generovať i bez rýchleho prúdenia pracovného plynu a bez použitia pracovného plynu obsahujúceho hélium alebo argón. Prekvapujúco bolo zistené, že homogenita takto generovanej plazmy, na rozdiel od všetkých známych plazmových zariadení doteraz testovaných k vyššie uvedenému účelu, narastá s rastúcim elektrickým výkonom privádzaným do plazmy.Ďalším prekvapujúcim poznatkom je, že difúznosť a homogenita plazmy je vyššia ak sa vo vzdialenosti 0,05 mm až l mm, výhodne pri 0,1 až 0,3 mm, od povrchu dielektrického materiálu, na ktorom sa generuje plazma, nachádza povrch opracovávaného materiálu na báze dreva. Ďalším prekvapujúcim poznatkom je, že takto generovaná plazma je bezpečná pri kontakte s povrchom ľudského tela.Prehľad obrázkov na výkresochPríklady elektródových systémov podľa technického riešenia sú schematicky znázornené na priložených obrázkoch. Na obrázkoch sú zobrazené len elektródové systémy rovinného tvaru.Obr. l predstavuje v reze elektródový systém ako súčasť zariadenia slúžiaceho na plazmové opracovanie povrchu materiálov na báze dreva bez pomocnej elektródy. Opracovávaný materiál sa nachádza vo vzdialenosti maximálne 1 mm od elektródového systému.Obr. 2 zobrazuje súčasť zariadenia slúžiaceho na plazmové opracovanie povrchu materiálov na báze dreva s pomocnou elektródou.Príklady uskutočnenia technického riešeniaZariadenie a spôsob podľa technického riešenia boli použité na hydrofilizáciu povrchu dreva za účelom získania vhodných povrchových vlastností pre následné povrchové úpravy napríklad vodou rozpustnýrni chemikáliami bez použitia surfaktantov.Drevo z borovice bolo 6 hodín sušené v bežnej sušičke pri teplote 100 °C. Po vysušení bolo drevo ochladené na izbovú teplotu. Uholvzníáčania povrchu dreva ihneď po aplikovaní kvapky na povrch dreva bol 90 °,čiže povrch bol hydrofóbny. Casť vysušených vzoriek bola opracovaná spôsobom podľa technického riešenia v plazme generovanej v laboratórnom vzduchu bez prúdenia vzduchu pri výkone 5 W/cmz V trvaní 1 s. Povrch vzorky sa nachádzal v strednej vzdialenosti 0,2 mm od povrchu elektródového systému. Na elektródy elektródového systému bolo naložené striedave napätie o frekvencii 25 kHz a veľkosti špička-špička 15 kW. Po expozícii V trvaní l s bol uhol zrnáčania menší než 5 °, čiže povrch vzorky bol dokonale hydrofilný. Spotreba elektrickej energie bola 0,0135 kWh/níž.Zariadenie a spôsob podľa technického riešenia boli použité na zlepšenie adhéznych vlastností povrchu dreva.Na vzorky dreva z borovice vysušenej ako v príklade l, bolo valčekom nanesené fenolformaldehydové lepidlo Chembond® CB 303 v množstve 200 g/mz. Po jednej minúte boli vzorka lepené v laboratórnom lise pri 200 °C and tlaku 2 N/mmž v trvaní 12 min. Po zlepení bola výsledná vzorka uskladnená l deň pri izbovej teplote v laboratómom vzduchu. Adhézna pevnosť vzorky zmeraná metódou ASTM D 3433 1997 ako energia potrebná na vytvorenie dvoch nových povrchov odtrhnutím zlepených častí bola 52 J/mz.Vysušené vzorky dreva boli opracované plazmou spôsobom opísaným v príklade 1 a testované na adhéznu pevnosť rovnako ako je vyššie uvedené pre neopracované vzorky. Aktivácia plazmou mala za následok 158 -né zvýšenie adhéznej pevnosti.Zariadenie a spôsob podľa technického riešenia boli použite na hydrofobizáciu povrchu dreva metódou plazmovej polymerizácie.Doska z topoľového dreva o rozmeroch 21 cm x 50 cm x 5 cm bola sušená 24 hodín pri teplote 75 °C a obrúsená jerrmým 150 grid brusným papierom. Povrch takéhoto materiálu bol silne hydrofilný, keďže kvapka vody bola materiálom absorbovaná v čase menšom než 1 s.Doska bola povrchovo opracovaná v plazme generovanej pri atmosférickom tlaku v zmesi N 4 hexamethyldisiloxanu (HMDSO). Povrch vzorky sa nachádzal v strednej vzdialenosti 0,35 mm od povrchu elektródového systému. Na elektródy elektródového systému bolo naložené striedavé napätie o frekvencii 50 kHz a veľkosti špička-špička 15 kW. Rýchlosť prúdenia pracovného plynu nad povrchom vzorky bola asi 2 m/s, plošný výkon 7 W/cmz a doba expozície 30 s. Pri takomto opracovaní sa na povrchu dreva plazmovou polymerizáciou utvorila silne hydrofilná polymérny vrstva o povrchovej energií 15 rnJ/mz.Zariadenie a spôsob podľa technického riešenia boli použité na aktiváciu povrchu dreva pred nasledovný očkovaním absorbérom ultrañalového žiarenia z roztoku.Vzorky z borovicového dreva boli aktivované v plazme spôsobom opísaným v príklade l. Bol pripravený 5 -ný roztok 2-Hydroxy-4-(2,3-epoxypropoxy)benzophenone v etanole a vo forme aerosólu bol nanesený na povrch plazmou aktivovaných a plazmou neaktivovaných vzoriek. Po vysušení bolí vzorky analyzované metódou F TIR-PAS. Bolo zistené, že HEPBP sa kovalentne naviazal na hydroxylovć skupiny a voľné radikály vytvorené plazmovou aktiváciou. Na plazmou neaktivovaných vzorkách takáto žiaduca väzba nebola zistená.Zariadenie a spôsob podľa technického riešenia boli použité na aktiváciu povrchu dreva pred nasledovnou acetyláciou z pár acetanhydridu.Vzorky z borovicového dreva o rozmeroch 21 cm x 10 cm a hrúbke 0.5 cm boli aktivované vplazme spôsobom opisaným v príklade 1. Následne boli plazrnou aktivované a neaktivované vzorky pri teplote 120 °C vystavené 2 hodiny pôsobeniu nasýtených pár acetanhydridu.Zariadenie a spôsob podľa technického riešenia boli použité na zvýšenie účinnosti a stálosti hydrofóbnej úpravy povrchu dreva.Vysušene vzorky borovicového dreva boli na 10 minút ponorené do 0,5 mol.dm 3 roztoku chlorotrimethylsilanu (Merck) v chloroforme. Následne boli opláchnuté v chloroforme a osušené prúdom vzduchu. Časť takto silanizovaných vzoriek bola opracovaná spôsobom podľa technického riešenia v plazme generovanej v zmesi dusíka s nasýtenými paramí vody pri výkone 5 W/cmz v trvaní 2 s. Po 12 hodinách boli zmerane uhly zmáčania plazmou upravených vzoriek a plazmou neexponovaných vzoriek. Uhol zrnáčania plazmou upravených vzoriek bol 105 ° a plazmu neupravených vzoriek 83 °, čiže plazmou upravené vzorky boli hydrofóbnej šie. Plazmou upravené vzorky tiež vykazovali zvýšenú odolnosť hydrofóbnej úpravy voči starnutiu a biodegradácii.Zariadenie a spôsob podľa technického riešenia boli použité na zlepšenie impregnácie dreva melamínovou živicou.S pomocou ultrazvuku bol pripravený nasýtený vodný roztok melamínovej živice. Z jedľového dreva boli pripravené vzorky o rozmeroch 5 cm x l 0 cm x 0,5 cm a na jednom povrchu opracovane plazmou generovanou zmesi dusíka s nasýtenými parami vody pri výkone 5 W/cmz v trvaní 3 s. Po opracovaní boli za laboratórnej teploty na 6 hodin ponorené do roztoku melamínovej živice. Vzorky boli opláchnuté V destilovanej vode a sušené 3 dni pri laboratórnych podmienkach. Následne boli vzorky boli tepelne upravené 10 minút pri teplote 180 °C. UV spektroskopiou na vlnovej dĺžke 240 nm bola určená povrchová koncentrácia melamínu.V plazmou upravených vzorkách bola zistená koncentrácia melamínu zvýšená o 250 .1. Zariadenie na povrchovú úpravu dreva, drevených vlákien a materiálov na báze dreva, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že obsahuje elektródový systém (1) pozostávajúci zo sústav elektricky vodivých elektród (2) a (3) uložených vnútri telesa (4) z dielektrického materiálu vo vzájomnej vzdialenosti elektród (2) a(3) menšej než 2 mm a väčšej než 0,05 mm, nachádzajúcich sa na tej istej strane povrchu (5) dreveného materiálu, vrstvy drevených vlákien alebo materiálov na báze dreva, pričom vrstva difúznej elektrickej plazmy(6) je generovaná na časti povrchu telesa (4) z dielektrického materiálu výhodne nad povrchom elektricky vodivých elektród (2) a (3), pričom vzdialenosť časti povrchu telesa (4) z dielektrického materiálu, na ktorom je generovaná plazma od opracovávaného povrchu (5), je menšia než 1 mm a pričom vrstva plazmy (6) nie je v kontakte s elektricky vodivými elektródami (2) a (3).2. Zariadenie podľa nároku l, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že frekvencia napätia medzi sústavami vodivých elektród (2) a (3) je v intervale 50 Hz až 1 MHz.3. Zariadenie podľa nároku l, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že amplitúda napätia medzi sústavami vodivých elektród (2) a (3) je v intervale 0,5 kV až 100 kV.4. Zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že obsahuje ďalšiu pomocnú sústavu elektród (7), uloženú vnútri telesa (4) z dielektrického materiálu, ktorá je časťou elektródového systému (l) a ktorá je na potenciáli odlišnom od elektród (2) a (3).5. Zariadenie podľa nároku l, v y z n a č u j ú c e s a tý m , že povrch telesa (4) z dielektrického materiálu na ktorom sa generuje vrstva plazmy (6) sa nachádza v pracovnom plyne s tlakom 1 kPa až 500 kPa.6. Zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že je uspôsobené na pohyb povrchu (5) dreveného materiálu, vrstvy drevených vlákien alebo materiálu na báze dreva vzhľadom na povrch telesa (4) z dielektrického materiálu, na ktorom sa generuje vrstva plazmy (6), V minimálnej vzdialenosti menšej než 1 mm.7. Spôsob povrchovej úpravy dreva, drevených vlákien a materiálov na báze dreva účinkom elektrickej plazmy, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že sa na povrch dreva, drevených vlákien a materiálov na báze dreva pôsobí elektrickou plazmou generovanou pomocou sústav elektricky vodivých elektród uložených vnútri telesa z dielektrického materiálu a nachádzajúcich sa na tej istej strane dreva, drevených vlákien a materiálov na báze dreva, pričom významná časť toku siločiar elektrického poľa väčšia ako 50 veľkosti celkového toku siločiar elektrického poľa medzi elektródami neprechádza povrchom opracovaného materiálu,na ktorý sa pôsobí plazmou, pričom je vrstva elektrickej plazmy generovaná na časti powchu tohto dielektrického telesa bez kontaktu s elektricky vodivými elektródami, pri minimálnej vzdialenosti časti povrchu dielektrického telesa, na ktorom je generovaná plazma, od povrchu dreva, drevených vlákien a materiálov na báze dreva menšej než 1 mm.

MPK / Značky

MPK: B27M 1/00, H05H 1/24

Značky: dřevěných, zariadenie, úpravy, povrchovej, materiálov, spôsob, vlákien, dřeva, báze

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/7-u5951-zariadenie-a-sposob-povrchovej-upravy-dreva-drevenych-vlakien-a-materialov-na-baze-dreva.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Zariadenie a spôsob povrchovej úpravy dreva, drevených vlákien a materiálov na báze dreva</a>

Podobne patenty