Консервант для древесины и способ изготовления консерванта для древесины - RU2422265C2

Описание

Изобретение относится к консерванту для древесины, который содержит растительные масла, полученные в результате переработки неочищенного таллового масла, такие как смоляные кислоты и жирные кислоты. Изобретение также относится и к способу изготовления консерванта для древесины, согласно которому консервант для древесины изготавливают из растительных масел, таких как жирные кислоты и смоляные кислоты, содержащиеся в неочищенном талловом масле.

Консерванты для древесины пытаются предотвратить или замедлить действие роста грибков, таких как коричневые, белые и мягкие гнилостные грибки, которые вызывают гниение древесины. Наиболее эффективно древесину защищают путем пропитки древесины консервантом под давлением вплоть до ее сердцевины. Консерванты для древесины, наиболее часто использовавшиеся в последнее время при пропитке под давлением, в основном можно разделить на три класса: 1) пропитывающие вещества на водной основе; 2) пропитывающие вещества на основе масла и 3) креозотовое масло. Кроме того, в последнее время древесину консервировали в результате обработки древесины неочищенным талловым маслом или смесями смоляных и жирных кислот, полученных в результате его переработки. Например, в описании финского изобретения FI 97707 описываются способ консервации древесины и консервант для древесины на основе использования неочищенного таллового масла.

Недостаток традиционных пропитывающих веществ на водной основе и на основе масла и креозотового масла заключается в их общей токсичности по отношению ко всем живым организмам. Вследствие этого их использование включает значительные риски для здоровья и окружающей среды. Недостаток неочищенного таллового масла или консервантов для древесины, полученных в результате его переработки, заключается в их низкой способности консервации от гниения, в особенности, в случае неполучения внутри древесины надлежащего количества консерванта. В дополнение к этому недостаток неочищенного таллового масла заключается в его плохом запахе, который возникает в результате использования серной кислоты во время проведения кислотной обработки. Дополнительная проблема, связанная с неочищенным талловым маслом и консервантами для древесины, полученными в результате его переработки, заключается в том, что после проведения обработки в виде пропитки под давлением консервант для древесины просачивается на поверхность древесины, поскольку для достижения надлежащего защитного эффекта внутри древесины должно находиться относительно большое количество консерванта для древесины. Кроме того, недостаток ставших в последнее время известными консервантов для древесины, изготовленных в результате перемешивания растительных масел, полученных в результате переработки неочищенного таллового масла, таких как изготавливаемые промышленно смоляные и жирные кислоты, заключается в сложности и дороговизне способа изготовления вследствие необходимости использования для них многостадийных способов перегонки или экстрагирования и в ослаблении характеристик масла с точки зрения консервации древесины.

Цель изобретения заключается в разработке консерванта для древесины, при использовании которого устраняются вышеупомянутые проблемы, связанные со ставшими в последнее время известными консервантами для древесины. В особенности, цель изобретения заключается в предложении консерванта для древесины на основе неочищенного таллового масла, который не является вредным для здоровья человека и для окружающей среды, но при использовании которого древесина или древесные изделия, изготовленные из нее, будут лучше, чем раньше, защищены от появления результатов воздействия погодных факторов, разложения и плесени. Кроме того, цель изобретения заключается в предложении способа изготовления консерванта для древесины, который являлся бы более простым и более рентабельным в сопоставлении с более ранними способами изготовления консервантов для древесины на основе растительных масел, полученных из неочищенного таллового масла, причем при использовании данного способа консистенция масла становится лучшей с точки зрения консервации древесины.

Поставленные цели изобретения достигаются при использовании консерванта для древесины и способа изготовления консервантов для древесины, которые представлены в формуле изобретения.

Консервант для древесины согласно изобретению характеризуется тем, что его изготавливают из неочищенного таллового масла в результате удаления из неочищенного таллового масла нейтральных компонентов, в числе которых в особенности удаляют соединения, выступающие в роли питательной среды и источника питания для гнилостных грибков, и соединения, увеличивающие степень этерификации, такие как стероиды, в числе которых в особенности ситостерины и ситостанины, и/или жирные спирты. Испытания на сопротивление гниению и исследования, проведенные для неочищенного таллового масла, подтвердили то, что при использовании смеси смоляных и жирных кислот, получающихся из неочищенного таллового масла, достигается наилучший эффект по предотвращению разложения древесины. В дополнение к этому самые последние исследования продемонстрировали то, что часть нейтральных компонентов, содержащихся в неочищенном талловом масле, ослабляет эффекты увеличения сопротивления гниению, создаваемые неочищенным талловым маслом. Эффект ослабления, создаваемый данными компонентами, базируется на том, что они формируют для гнилостных грибков хорошую питательную среду, то есть они выступают в роли источника питания для гнилостных грибков. Даже несмотря на то, что в соответствии с исследованиями часть нейтральных компонентов создает эффект ослабления роста гнилостных грибков, они все же присутствуют в масле с такими небольшими уровнями содержания, что преимущества, создаваемые ими, уступают недостаткам от присутствия компонентов, выступающих в роли питательной среды. В случае этерификации данные компоненты также высвобождают воду в древесину, что является предварительным условием для роста гнилостных грибков. Кроме того, реакции этерификации потребляют кислотные компоненты, важные с точки зрения консервации древесины под действием масла. В результате сведения к минимуму в масле доли компонентов, подходящих в качестве источника питания для гнилостных грибков, и в результате одновременного уменьшения степени этерификации присутствие гнилостных грибков в древесине, подвергнутой обработке маслом, сводится к минимуму. Вследствие этого при использовании такого консерванта для древесины, который получают из неочищенного таллового масла, так чтобы из неочищенного таллового масла были бы удалены нейтральные компоненты, добиваются лучшей защиты от гниения в сопоставлении с неочищенным талловым маслом, не подвергнутым переработке, и таким известным неочищенным талловым маслом, в которое были введены смоляные кислоты, жирные кислоты или неочищенное талловое масло, содержащее жирные кислоты (например, неочищенное талловое масло, полученное из березы). В дополнение к этому трудно изготовить абсолютно чистые смоляные кислоты и жирные кислоты, и они являются чрезвычайно дорогими, поскольку представляют собой материал исходного сырья, помимо прочего, для красок и клеев. По этой причине масло с лучшим качеством и меньшей стоимостью получают в сочетании с варкой целлюлозы благодаря удалению нейтральных компонентов на начальной стадии. Отгонка нейтральных компонентов дочиста из неочищенного таллового масла впоследствии также представляет собой более дорогостоящий способ действий в сопоставлении с добавлением в неочищенного талловое масло чистых смоляных кислот и/или жирных кислот. Чем больше нейтральных компонентов будет удалено и чем более точно удаление можно будет сфокусировать на соединениях, выступающих в роли источника питания, и группах соединений, увеличивающих степень этерификации, таких как жирные спирты, тем лучшее масло будет получено с точки зрения защиты древесины от гниения.

Нейтральные компоненты неочищенного таллового масла включают множество групп различных соединений, при этом упоминания заслуживают, например, терпены/терпеноиды, состоящие из изопреновых звеньев (С5). Группами терпенов являются, например, монотерпены, сесквитерпены, дитерпены, тритерпены, тетратерпены и политерпены. Монотерпены состоят из двух изопреновых звеньев (С10), и их доля в числе нейтральных компонентов составляет, например, приблизительно 0-5%. Примером соединения из группы монотерпенов является изоборнеол. В качестве примера сесквитерпенов (0-5%), которые состоят из трех изопреновых звеньев (С15), можно упомянуть лонгифолен. Дитерпены (0-5%) состоят из четырех изопреновых звеньев. Группа дитерпенов, помимо прочего, включает сембрен и пимарадиен. Тритерпены (0-3%) состоят из шести изопреновых звеньев. Нейтральные компоненты, содержащиеся в неочищенном талловом масле, также включают и смоляные спирты (10-60%), например, пимаринол, сандаракопимаринол, изопимаринол, лариксол и эллиотиенол, и смоляные альдегиды (0-6%), помимо прочего, пимариналь и изопимариналь, если упоминать только некоторых из них. Важной группой нейтральных компонентов с точки зрения защиты древесины являются стероиды (10-60%). Стероидами, которые представляют собой тетрациклические соединения, являются, например, β-ситостерин (5-40%), β-ситостанин (2-10%) и циклоартенол (0-6%). Группами нейтральных компонентов неочищенного таллового масла также являются жирные спирты (3-20%), например тетракозанол и докозанол, и фенолы (0-3%), примерами которых являются фенол, 2-метилфенол и 4-хлорфенол. В число нейтральных компонентов также включаются и стильбены (0-2%). Относительные количества нейтральных компонентов, содержащихся в неочищенном талловом масле, сильно варьируются в зависимости от происхождения неочищенного таллового масла.

Удаление нейтральных компонентов при желании можно осуществить селективно, так чтобы часть нейтральных компонентов, естественным образом защищающих древесину, осталась бы в масле. Такими компонентами, например, являются монотерпены и фенолы. Удаление нейтральных компонентов в особенности фокусируется на соединениях стероидной группы. Стероиды, в числе которых упоминаются ситостерин и ситостанин, по классификации относят к жирам, и продукты их распада, например вследствие окисления, могут воспрепятствовать реализации характеристик неочищенного таллового масла по консервации древесины.

В одном варианте реализации консерванта для древесины согласно изобретению нейтральные компоненты удаляют по способу экстрагирования. Преимущество экстрагирования заключается в том, что благодаря ему получение чрезвычайно низкого уровня содержания нейтральных компонентов становится относительно легким. Экстрагирование наиболее выгодно проводить в сочетании с варкой целлюлозы.

В одном варианте реализации консерванта для древесины согласно изобретению нейтральные компоненты удаляют по способу перегонки. Преимущество перегонки заключается в том, что исключаются стадии омыления неочищенного таллового масла, необходимые при экстрагировании, и восстановление раствора обратно до состояния таллового масла.

В одном варианте реализации консерванта для древесины согласно изобретению удаляют компоненты, вносящие свой вклад в этерификацию, и в целях сведения к минимуму прохождения реакций этерификации в консерванте для древесины уменьшают температуры и времена переработки неочищенного таллового масла.

Способ согласно изобретению характеризуется тем, что консервант для древесины изготавливают из неочищенного таллового масла в результате удаления из неочищенного таллового масла нейтральных компонентов, в особенности, соединений, вызывающих прохождение реакций этерификации, и/или соединений, играющих роль питательной среды и источника питания для гнилостных грибков, таких как жирные спирты и/или стероиды, такие как ситостерин и ситостанин. Такой способ изготовления не требует использования такого большого количества стадий экстрагирования или перегонки, как изготовление консервантов для древесины, изготавливаемых по ставшим известным в последнее время способам на основе смоляных и/или жирных кислот неочищенного таллового масла. Во многих случаях требуются только одна или две стадии экстрагирования/перегонки. По этой причине такой способ изготовления консерванта для древесины на основе неочищенного таллового масла, очевидно, является более простым и более рентабельным в сопоставлении с тем, что было раньше. Кроме того, в консерванте для древесины могут быть сохранены подходящие для использования компоненты, содержащиеся в неочищенном талловом масле, такие как фенолы и моно- и дитерпены, и нейтральные компоненты, подходящие для использования с точки зрения консервации древесины.

Далее изобретение будет описываться более подробно при использовании нескольких вариантов реализации в качестве примеров.

При изготовлении консерванта для древесины согласно изобретению нейтральные компоненты, содержащиеся в неочищенном талловом масле, из неочищенного таллового масла удаляют по способу экстрагирования. После этого в остающемся растворе в выгодном случае присутствуют 60 мас.% жирных кислот, 38 мас.% смоляных кислот и приблизительно 2 мас.% остаточных нейтральных компонентов.

Экстрагирование нейтральных компонентов из неочищенного таллового масла включает три стадии: 1) стадия омыления; 2) стадия экстрагирования и 3) подкисление, то есть восстановление до состояния таллового масла.

Омыление проводят в результате варки неочищенного таллового масла, например, в растворах KOH или NaOH. Другими возможными щелочами, используемыми при варке, являются, например, LiOH и RbOH. Щелочи используются в виде водных растворов желательной концентрации. Уровень содержания щелочи обычно определяют в соотношении с числом омыления неочищенного таллового масла, где данная величина может составлять, например, 1,0-3,0 × число омыления таллового масла, в подходящем случае 1,0-1,5 × число омыления таллового масла. Чем больше будут использовать щелочи, тем более коротким будет время варки при омылении. Времена омыления обычно составляют 30-240 мин, а температуры омыления, например, находятся в диапазоне 30-200°С. Получения наилучших результатов обычно добиваются при температуре варки, которая варьируется в диапазоне 110-120°С. Подходящее для использования давление варьируется в диапазоне 1-15 атм.

Подходящим для использования омыляющим раствором является, например, раствор вода/спирт с соотношением компонентов в диапазоне 1:1-1:2. Подходящее для использования соотношение между количествами омыляющего раствора и таллового масла находится в диапазоне 1:1-1:2, поскольку в данном случае можно будет использовать повышенные температуры, а смешиваемость останется хорошей. Также можно использовать и только раствор вода/щелочь. Вода выступает, например, в роли растворителя для щелочи и фазы для омыляемых жирных и смоляных кислот. Спирт уменьшает вспенивание и ускоряет прохождение реакции между талловым маслом и щелочью (диспергирование), благодаря чему образование мыла происходит быстрее. Омыляемое неочищенное талловое масло (соли смоляных кислот и жирных кислот) образует свою собственную фазу («водную фазу»), а неомыляемые нейтральные компоненты образуют свою собственную фазу («органическую фазу»).

Экстрагирование можно реализовать в виде периодического способа или в виде непрерывных систем либо в одну, либо в несколько стадий в аппаратуре, которая может включать корпусные реакторы с перемешиванием, насадочные колонны или центрифуги. При изготовлении консерванта для древесины согласно изобретению надлежащим обычно является наличие одной или двух стадий экстрагирования.

Для экстрагирования, например, можно использовать смесь полярного и неполярного растворителей. В данном случае существует несколько различных альтернатив. Целесообразными экстрагирующими растворителями являются ароматические органические растворы, такие как бензол и толуол, и алифатические, то есть, прямоцепные, углеводороды, такие как диэтиловый эфир, гексан, гептан, октан, ксилол, декан, циклогексан, изопропиловый спирт, лигроин, диалкилированные кетоны, ацетиловые сложные эфиры, ацетон и петролейный эфир. В их числе одним из наилучших является гексан, помимо прочего, вследствие его малой стоимости.

Проблема, связанная с экстрагированием, заключается в отделении мыла от смеси (формирующей стабильную эмульсию) и во вспенивании раствора во время экстрагирования. Проблему можно свести к минимуму в результате использования при экстрагировании неполярного растворителя и раствора мыла (экстрагируемого раствора), в который добавили растворитель (например, изопропиловый спирт), дестабилизирующий полярную эмульсию, или уровень содержания воды в котором составляет менее чем 40%, наиболее предпочтительно менее чем 25%. Низкий уровень содержания воды выгоден по окончании процесса, когда из экстрагированного таллового масла удаляют остаточную воду. Уровень содержания воды можно отрегулировать при использовании растворов щелочь-вода, подходящих по своему содержимому для использования при омылении.

Фазы можно разделить, например, в результате декантирования или центрифугирования, благодаря чему в результате будут получены «легкая» органическая проэкстрагированная фаза, которая в основном содержит экстрагирующий растворитель и неомыленный материал, то есть нейтральные компоненты, и «тяжелая фаза» - фаза экстрагированного мыла, которая в основном содержит соли жирных и смоляных кислот. Также возможным является и удаление во время стадии экстрагирования наибольшей части так называемых пековых компонентов.

Температуры экстрагирования выбирают, исходя из использованного экстрагирующего растворителя, то есть растворитель не может кипеть во время экстрагирования. Рекомендуется сохранять температуру экстрагирования по возможности более низкой, например, меньшей, чем 40°С, поскольку в данном случае стабильные эмульсии легко образовываться не будут, то есть фазы мыла и растворителя достаточно хорошо будут отделяться друг от друга. Соотношение между количествами экстрагирующего растворителя и раствора мыла может варьироваться в диапазоне 0,5:1-20:1. Однако наиболее выгодно иметь соотношение 5:1. Время экстрагирования составляет 0,5-4 часа.

Неочищенное талловое масло необходимо восстановить из формы мыла обратно до состояния масла. Этого добиваются в результате проведения варки омыленного таллового масла в кислотном растворе (неорганической или органической кислоте). Наилучшие результаты получают в случае растворов минеральной кислоты, такой как серная кислота. Недостаток серной кислоты заключается в неприятном запахе, который она вызывает. При желании воздействия на характеристики запаха конечного продукта в качестве альтернативы серной кислоты, например, можно использовать хлористоводородную кислоту или фосфорную кислоту, имеющие более слабый запах.

Во время кислотной варки две фазы обычно разделяются: масляная фаза, которая содержит жирные кислоты, смоляные кислоты и остаточный растворитель (а также немного нейтральных компонентов), и водная фаза (солевой раствор), которая содержит сульфат натрия (в случае омыления под действием щелока и подкисления при варке с использованием серной кислоты) и только небольшие количества жирных и смоляных кислот. Из проэкстрагированного таллового масла в конце концов можно удалить растворитель и остаточную воду, например, в результате упаривания раствора при нормальном давлении или в вакууме. Растворитель можно возвратить в процесс после проведения операций по очистке.

По завершении такого процесса доля нейтральных компонентов в талловом масле составляет менее чем 2 мас.%. Результат можно улучшить в результате отгонки нейтральных компонентов, например, в испарителях с падающей пленкой, тонкопленочных испарителях или фракционирующих колоннах.

В альтернативном варианте удаление нейтральных компонентов в неочищенном талловом масле можно осуществить по способу перегонки. Перегонка неочищенного таллового масла в целях разделения компонентов (жирных кислот, смоляных кислот и нейтральных компонентов), содержащихся в талловом масле, в своей основе имеет различные температуры кипения компонентов таллового масла.

Возможными способами перегонки являются, например, азеотропная перегонка, сухая перегонка, экстракционная перегонка, фракционная перегонка, вакуумная перегонка, перегонка с водяным паром и реакционная перегонка. Подходящие для использования колонны представляют собой, например, фракционирующие колонны, которые также могут являться и насадочными. Другой возможной аппаратурой, используемой при перегонке, являются различные испарители, такие как тонкослойные испарители.

Отделение всех нейтральных компонентов по способу перегонки непосредственно от неочищенного таллового масла или расплавленного мыла на основе неочищенного таллового масла затруднительно, поскольку значительное количество нейтральных компонентов представляет собой низкокипящие соединения, которые отгоняются совместно с жирными и смоляными кислотами, в особенности, с жирными кислотами. По этой причине при такой отгонке нейтральных компонентов, когда целью ставится полное удаление нейтральных компонентов, необходимо использовать несколько стадий перегонки. Однако при изготовлении консерванта для древесины согласно изобретению потребность в наличии более чем одной или двух стадий перегонки обычно отсутствует, поскольку цель изготовления консерванта для древесины согласно изобретению заключается в удалении из неочищенного таллового масла только вредных нейтральных компонентов, содержащихся в нем, таких как жирные спирты и/или стероиды, которыми являются, например, ситостерин и ситостанин.

Температурные диапазоны для перегонки обычно являются чрезвычайно большими, и они зависят от используемых аппаратуры и давления. По грубой оценке наиболее подходящий для использования температурный диапазон определяют как приблизительно 150-400°С. Давление должно быть отчетливо меньшим, чем давление воздуха. Обычно выгодной является возможность использования при перегонке по возможности более высокого разрежения.

При перегонке неочищенного таллового масла, проводимого на многих стадиях, колонны или другую аппаратуру для перегонки соединяют последовательно для получения более чистого конечного продукта. На первой стадии перегонки обычно первыми выпариваются жирные кислоты и низкокипящие нейтральные компоненты (приблизительно 150-250°С, разрежение), то есть температуру выдерживают ниже температуры кипения смоляных кислот. Кроме того, на первой стадии могут быть использованы и более высокие температуры, но тогда обычно будет увеличиваться количество пека, а количество чистых конечных продуктов будет уменьшаться. Выпаренные жирные кислоты охлаждают в холодильнике (50-180°С) и при необходимости подвергают дополнительной переработке, то есть очистку продолжают в результате перегонки на последующих стадиях в специальных условиях. Смоляные кислоты и другие компоненты, остающиеся после первой стадии, переводят на следующую стадию очистки/перегонки, на которой их подвергают перегонке, например, при приблизительно 300°С при разрежении. Цель заключается в удалении жирных кислот и нейтральных компонентов, остающихся в смеси. Смоляные кислоты при желании можно подвергнуть дополнительной переработке, то есть перегонку или другие меры по очистке можно продолжить в более специальных условиях.

Пековые компоненты от технологического потока обычно отделяют после первой или второй стадии перегонки, поскольку рассматриваемый материал является сложным. Пековые компоненты либо формируются в талловом масле во время перегонки при высоких температурах (более 300°С), либо представляют собой компоненты, содержащиеся в неочищенном талловом масле, имеющие высокую молярную массу и кипящие только при очень высоких температурах. Группами компонентов, встречающимися в пеке, являются жирные и смоляные кислоты, сложные эфиры жирных кислот, сложные эфиры смоляных кислот, димеризованные кислоты и нейтральные компоненты (сложные эфиры образуются, например, в случае прохождения реакции между смоляными и жирными кислотами и спиртовыми группами нейтральных компонентов).

Как упоминалось ранее, для удаления вредных нейтральных компонентов могут быть использованы также и комбинации вышеупомянутых способов. После удаления нейтральных компонентов в консервант для древесины можно ввести различные добавки, такие как, например, медь, бор, железо, хром, и/или подходящий для использования растворитель, что переводит консервант для древесины по возможности в наиболее подходящую для использования форму по его вязкости и другим характеристикам, оказывающим влияние на применимость.

В одном варианте реализации консервант для древесины изготавливали из таллового масла по способу перегонки. Способ перегонки был двухстадийным, при этом имело место меньшее количество стадий перегонки, а изготовление консерванта для древесины было значительно более простым и более рентабельным в сопоставлении, например, с изготовлением ставших известными в последнее время консервантов для древесины, изготавливаемых из жирных и смоляных кислот в результате перемешивания. В консерванте для древесины, изготовленном по данному способу, обычно присутствуют 50-70 мас.% жирных кислот, 20-50 мас.% смоляных кислот и 0,1-4 мас.% нейтральных компонентов. В таком консерванте для древесины вследствие небольшого количества стадий перегонки присутствуют 0-1 мас.% пековых компонентов, 0-0,2 мас.% монотерпенов, 0-1% дитерпенов и 0-0,3% фенолов. Кроме того, в таком консерванте для древесины также может присутствовать и приблизительно 0-1 мас.% других неизвестных компонентов смеси. Вследствие наличия данных остаточных «примесей» консистенция такого консерванта для древесины является значительно более универсальной и, таким образом, обычно лучшей с точки зрения консервации древесины в сопоставлении с теми известными консервантами для древесины на основе неочищенного таллового масла, которые обычно изготавливают в результате перемешивания друг с другом чистых жирных и смоляных кислот.

Изобретение не ограничивается описанными выгодными вариантами реализации, но оно может варьироваться в объеме идеи изобретения, представленной в формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к консерванту для древесины и способу его изготовления. Консервант представляет собой неочищенное талловое масло, из которого удалили нейтральные компоненты, выступающие в роли питательной среды и источника питания для гнилостных грибков, и/или соединения, вызывающие прохождение реакций этерификации. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

Формула