Термически модифицированная древесина: свойства, применение и современное состояние технологии древесина

Проведен обстоятельный обзор традиционных и инновационных способов модификации древесины. На основе сравнения свойств, приобретает модифицированный материал, осуществлен анализ его применения, и сделан вывод в пользу тепловой модификации как промышленного экономически целесообразного способа.

    Термически модифицированная древесина

      В настоящее время в строительстве все шире используют изделия из древесины, причем в основном применяют твердые породы деревьев. Наметился дефицит твердых пород (они возобновляются в 7-10 раз медленнее, чем малоценные мягкие породы) и как следствие растет их стоимость. Для придания изделиям из мягких малоценных пород деревьев уникальных потребительских и физико-механических свойств разработана новая технология обработки деревянных изделий в специальных камерах.Модификация древесины
      После обработки такая древесина приобретает красоту натурального дерева ценных пород, а также: твердость, водостойкость, химическую и биологическую устойчивость и др. Технология позволила получить принципиально новый вид композиционного материала — термически модифицированную древесину.

      Конечно, термическая обработка древесины не новость. Попытки улучшить свойства древесины известны с самых глубоких времен. Еще викинги применяли воздействие на свои деревянные изделия открытого огня с целью увеличения их долговечности. Древние славяне и германские племена вымачивали и вываривали длинные тонкие полоски древесины и изготавливали из них домашнюю утварь. Индейцы обжигали на открытом огне концы копий с целью сделать их более прочными. Мельничные колеса сохранились с самых древних времен благодаря тому, что материал для их изготовления готовился многие годы, проходя разные способы обработки, такие как варку, пропаривание, сушку, пропитку маслами. И, наконец, каждый резчик по дереву знает очень быстрый способ высушить липу в домашних условиях: сварить полено в воде в течение полутора часов, завернуть его в полотенце и старые газеты и положить возле батареи.

      Термообработку древесины на научной основе начали исследовать в 30-е годы прошлого века в Германии, затем в 40-е — в США. Новейшие исследования проведены в Финляндии, Франции, Нидерландах, Италии, Германии, России. В результате установлено, что при определенном воздействии на древесину температуры 180-220 0С и водяного перегретого пара появляется принципиально новый высокотехнологичный продукт — гидротермически модифицированная и структурированная древесина — «THERMOWOOD». Ее цвет темнее, чем цвет обычной древесины, но свойства, которыми она обладает, дает древесине проникать в те области и сферы использования, где ее применение на сегодня считаются невозможными.

      ООО «Бикос» и «Thermoholz Spreewald» GmbH — крупнейшие производители термически модифицированной древесины в России и Германии представляют российским потребителям новый высокотехнологичный продукт собственной разработки — гидротермически обработанную древесину «термодерево». Термодерево является натуральным, абсолютно экологически чистым материалом и обладает по сравнению с обычной поделочной и строительной древесиной рядом уникальных свойств:

      - пониженная равновесная влажность на уровне 3-5 %;

      - устойчивость к гниению;

      - стабильная геометрия изделий в эксплуатации, не зависимо от перепадов температуры и влажности;

      - возможность получать из дешевых сортов древесины внешний вид экзотических пород и старинного дерева;

      - придавать материалу любые оттенки — от светло-желтого до черного, вне зависимости от породы древесины на всю глубину изделия;

      - низкая гигроскопичность и пониженная теплопроводность;

      - малое содержание смолы в составе хвойных пород и др.

      Благодаря этим свойствам «термодерево» нашло широкое применение в европейских странах и начало использоваться в России.

      Термодерево применяют:

      - в строительстве и облицовке домов;

      - для изготовления мебели и музыкальных инструментов;

      - для отделки саун, бань, бассейнов, ванных комнат, причалов и других объектов, имеющих непосредственный контакт с водой;

      - для изготовления полов (паркет, паркетная доска, фриз, половая доска), в том числе разнотонных, теплых полов;

      - для изготовления дверей, окон, других конструкционных элементов, где важна стабильность геометрии изделия;

      - в реставрации и др.

      Изделия из термодерева используют без ограничений в любых климатических условиях. Они не нуждаются в антисептировании, пропитке, тонировании, окраске, они и так очень красивы. Гидротермическая обработка подчеркивает и выявляет всю красоту натурального дерева и делает его еще более привлекательным.

      Главное достижение технологии гидротермической обработки — это возможность получения термодерева с заранее заданными свойствами: цветом, прочностью, биологической стойкостью и т.д. Следовательно, каждый покупатель может, в зависимости от своих целей, выбрать тот вид термодерева, который ему нужен. Задавая нужные параметры режима обработки, можно получить материал с оптимизированной областью применения.

      У каждой страны или фирмы, производящей термически обработанную древесину, есть свои особенности и секреты. Термодерево фирм ООО «Бикос» и «Thermoholz Spreewald» GmbH является одним из лучших на данный момент времени, потому что используемая технология избавляет термодерево от специфического запаха фурфурола, характерного для термодревесины от других производителей. В отличие от других технологий, можно обрабатывать любые породы древесины любой толщины — дешевые и дорогие, хвойные и лиственные, экзотические, топляк, капы, шпон. Кроме этого, фирмы сделали акцент в своем производстве не только на ускоренный процесс сушки и достижение равновесной влажности на уровне 3-5 % и стабилизацию геометрии изделий, а на придание древесине еще большей красоты, выявление и подчеркивание ее декоративных и теплых свойств.

      В процессе гидротермической обработки древесины под давлением по данной технологии происходит ряд химических изменений с основными компонентами древесины — целлюлозой, гемицеллюлозой, лигнином, реактивными компонентами.

      Сначала при малых температурах испаряются экстрактивные вещества-терпены, воски, фенол, жиры. Они не являются структурообразующими и удаляются очень легко.

      Затем, в интервале 180-210 °С по мере нагрева происходит разложение гемицеллюлозы с выделением уксусной кислоты, которая является катализатором процесса гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров и глюкозы, которые вымываются паром из состава древесины. В результате снижается объем материала, чувствительного к грибку — отсюда высокая биостойкость термодерева. С разложением гемицеллюлозы концентрация водопоглощающих гидроксильных групп снижается, а отсюда и очень низкая равновесная влажность материала, и отсутствие гигроскопичности и высокая формоустойчивость термодерева.

      Очень важен момент, что разрыв цепочек гемицеллюлозы ( в отличие от целлюлозы) не снижает прочности древесины, а напротив улучшает ее устойчивость к сжатию и снижает уровень внутренних напряжений в материале. Лигнин трансформируется в реактивные молекулы при 200 0С и также удаляется из древесины.

      Важно отметить, что структура целлюлозы при гидротермообработке разрушается очень незначительно, поскольку пик ее трансформации лежит далеко за максимумом температурных значений.

      В результате термообработанная древесина обычных деловых пород приближается по свойствам к тику и лиственнице вместе взятым. Поверхность термодерева становится плотной, меняется клеточная структура как после старения в течение 100-400 лет.

      Технология получения термодерева запатентована в Германии и России. На нее разработаны технические условия, получены сертификаты соответствия и гигиенические заключения.

    История развития термической модификации древесины

    Модифицированной называют цельную древесину с направленно измененными физическими или химическими свойствами. В соответствии с ГОСТ 23944-80 [26] и ГОСТ 24329-80 [27] различают пять основных способов модифицирования и соответствующие виды продукции. Они включают в себя древесину термомеханической модификации, химико-механической модификации, термохимической модификации, модификации древесины радиационнохимическим способом, химической модификации.Продажа модифицированной древесины
    До недавнего времени для изменения свойств древесины самой распространенной из этих способов была химическая обработка древесины. Однако, из-за вредности получаемого продукта, с начала 2004 года в Евросоюзе были введены ограничения на использование химически обработанной древесины. В Европе это было достигнуто посредством установления определенных требований. Директива 2003/2/EC [66] запрещает использование с 30 июня 2004 г. хромированного арсената меди для обработки древесины в целях, которые могут привести к неоднократному контакту с кожей человека (в том числе игровое оборудование). Но эти ограничения не относятся к существующим конструкциям, поэтому значительное число конструкций, построенных с использованием древесины, обработанной хромированным арсенатом меди, по-прежнему используется во многих странах Европы.

    Согласно документам Межправительственного форума по химической безопасности состав CCA, имеющий в своем составе мышьяк и являющийся консервантом, используемым для увеличения срока службы деревянных элементов, находящихся под открытым небом - важный предмет озабоченности.

    Мышьяк, оказывающий канцерогенное действие на организм человека, высвобождается из древесины, обработанной этим консервантом, и выступает на ее поверхности, а также попадает в почву, которая находится под оборудованием. Повышенное содержание мышьяка было обнаружено на руках детей, пользовавшихся оборудованием, обработанным хромированным арсенатом меди по сравнению с детьми, не пользующимися оборудованием, обработанным хромированным арсенатом меди.

    В США в 2003 г. деревообрабатывающая промышленность добровольно отозвала из продажи деревянные конструкции, обработанные хромированным арсенатом меди, которые предназначались для использования вблизи жилья Агентство обратилось к производителям пестицидов с предложением добровольно прекратить применение хромированного арсената меди при обработке деревянных конструкций вблизи жилья и на детских игровых площадках. Начиная с 31 декабря 2003 г. ни один предприниматель, занимающийся обработкой деревянных конструкций, и ни один производитель не имеет права, с некоторыми исключениями, обрабатывать деревянные конструкции хромированным арсенатом меди, если конструкции предназначены для использования вблизи жилья.

    В связи с этим в настоящее время в мире активно развиваются различные технологии термообработки древесины, являющиеся альтернативой химической обработке и приводящие к существенному улучшению свойств древесины, что открывает новые области ее применения. По результатам проведенных исследований термически модифицированная древесина может быть рекомендована как безопасный с точки зрения выделяемых эмиссий материал для применения внутри помещений

    Термическая обработка древесины не является новой технологией. О том, что воздействие на поверхность древесины открытым огнем делает древесину более долговечной, люди знают с давних времен и предпринимают попытки улучшить свойства древесины этим способом. Еще викинги пользовались им при изготовлении наружных построек, например, оград.

    На Руси в качестве фундамента служили огромные мощные кряжи из лиственницы. Чтобы они не загнивали, бревна вначале обжигали. Крепость и долговечность этого материала вызывает изумление. Когда в одном из домов, переваливших вековой рубеж, заливали фундамент, пришлось вынуть эти кряжи.

    Дерево, сто лет пролежавшее в земле, приобрело такую плотность, что не поддавалось бензопиле. Обжигали также бревна окладного венца для придания им долговечности и прочности

    На научной основе термическую обработку начали исследовать только в первой половине ХХ века, в 1930-х годах в Германии, в 1940-х в Соединенных Штатах. Новейшие исследования проведены в Финляндии, Франции, Нидерландах, Италии, Германии, России.

    В основе всех процессов термической модификации древесины лежит сушка при повышенных температурах от 160?С до 240?С. Основным различием являются условия проведения того или иного процесса . На данный момент в промышленном оборудовании реализованы следующие технологии термической модификации древесины

    ThermoWood process (Stora, Finnforest, Финляндия). Финляндия по праву считается лидером в области термической обработки древесины. Именно там, в начале 90-х годов прошлого столетия появились первые производства термически модифицированной древесины. А в 2000 году была организована международная ассоциация Thermowood.

    Plato-Process (PLATO BV, Нидерланды). Процесс PLATO обеспечивает стабильность размеров и формы готовой продукции, а также ее долговечность. Технология Plato основана на четырех различных стадиях обработки древесины: New Option Wood (Retitech ранее Retification® (Франция). Во Франции в настоящее время наиболее распространены две технологии термической мо- дификации древесины. Первая называется Retification®, а вторая "Le Bois Perdure".

    Технология Bois perdure (BCI-MBS, Франция). В отличие от предыдущей французской технологии Retification данная технология позволяет модифицировать не сухую, а свежесрубленную древесину. Первая стадия процесса предполагает искусственную сушку в камере. Затем древесина нагревается до температур 200?C -240°C, в среде атмосферного пара (который генерируется из воды в древесине)

    OHT – Process (технология термической модификации в среде орга- нических масел, Menz Holz, Германия). Технология основана на термической модификации древесины в среде органических масел.

    Технология торговой марки «Вакуум Плюс». Технология разработана российскими специалистами, имеет патент на изобретение РФ.

    В настоящее время в Европе насчитывается более 10 запатентованных процессов термической обработки [101]. В другие страны, как правило, технология попадает в результате приобретения патентов у европейских производителей.

    Технология получения термически модифицированной древесины

    В России, располагающей почти четвертью мировых запасов древесины, лесная отрасль занимает неоправданно скромное место в экономике страны. Огромный лесосырьевой потенциал используется неэффективно. Положение лесопромышленного комплекса в настоящее время усугубляется кризисной ситуацией мирового рынка.

    В условиях значительного снижения спроса на выпускаемую продукцию деревообработки основой для выхода из кризиса может быть готовность отрасли к ее инновационному развитию и способность производить конкурентную продукцию для потребления на внутреннем и внешнем рынках. Закрепить свое положение на рынке, а также постоянно расширять его долю деревообрабатывающему предприятию позволит высокое качество продукции, ее низкая себестоимость, эффективная маркетинговая и финансовая деятельность. Необходимо развитие таких производств, которые бы не требовали больших вложений, просто и быстро создавались, быстро окупались, создавали бы конкурентоспособный товар и имели бы устойчивый рынок сбыта.Термическая древесина
    Перспективным направлением инновационного развития деревообработки в сложной рыночной ситуации может быть производство нового товара – термомодифицированной древесины. Термически модифицированная древесина существенно превосходит необработанную древесину по множеству показателей. Она имеет более плотную структуру, повышенную биологическую стойкость, улучшенные декоративные свойства.

    Одной из первых технологий термической обработки древесины в промышленных масштабах можно обозначить обработку древесины в паровоздушной среде при температуре 200-240ºС в течение 24 ч, освоенную в Финляндии в середине 90-х годов ХХ века и применяемую на сегодняшний день в России.

    При этом важным негативным фактором современных технологий термообработки древесины, сдерживающим их распространение в России, является применение перегретого водяного пара или жидкой среды для подвода тепловой эненргии и защиты материала от кислорода, что приводит к высоким энергозатратам и быстрому износу дорогостоящего оборудования вследствие воздействия высокотемпературной агрессивной среды.

    Для решения данной задачи нами предложено использовать вакуумно-кондуктивные сушильные камеры, возможность применения которых для термомодифицирования древесины до сих пор не была исследована. При этом использования вакуума позволит избежать воспламенения древесины и существенно снизить энергозатраты вследствие предотвращения тепловых потерь в окружающую среду, а применение контактного метода подвода теплоты позволит значительно интенсифицировать процесс.

    Для проведения вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесных материалов разработана пресс-вакуумная установки  работающая следующим образом: штабель в камере сушки формируется по принципу чередования нагревательных плит и высушиваемых образцов древесины, заданных форм и размеров, затем производится герметизация вакуумной камеры и начинается вакуумно-кондуктивная сушка с периодическим подводом тепла при влажности древесины более 10% или непосредственно термомодифицирование древесины при начальной влажности древесины мене 8%.

    Химически модифицированнная древесина в строительтсве

    В связи с начинающимся бумом малоэтажного домостроения идет активный поиск материалов, применение которых дает возможность строить дом дешево и технологично при достижении высоких эксплуатационных свойств. Такой материал существует и уже применяется в строительстве, ему присвоен ГОСТ 24329-80 и называется он механохимически модифицированной древесиной. Это древесина, пропитанная раствором модификатора (преимущественно – карбамид), высушенная под переменным давлением и термообработанная с целью приобретения и закрепления заданных свойств.

    Почему древесина? Потому, что в закрытом помещении древесина обновляет до 30% воздуха в сутки, а природные свойства этого материала позволяют в сухую погоду отдавать накопленную влагу, в сырую – впитывать в себя ее излишки. Деревянные дома отличаются особым микроклиматом и высоким уровнем комфортности даже без применения дополнительных средств кондиционирования. Относительно плотности прочностные свойства древесины сравнимы со свойствами металлов, а теплоизоляционные свойства вне конкуренции с другими видами строительных материалов.Термическое модифицирование древесины
    Почему карбамид? Раствор карбамида в воде из-за малой величины молекул карбамида способен проникать в полости клеток древесного вещества и пропитывать насквозь древесную заготовку любой толщины. Карбамид под действием температуры и давления вступает в реакцию с такими составляющими древесного вещества как лигнин и гемицеллюлозы и, не нарушая макроструктуры древесины, изменяет химическое строение этих составляющих с образованием веществ, подобных карбамидным смолам, применяемых в производстве современных плитных материалов.

    Благодаря этому древесина становится более прочной и твердой, не поддается воздействию микроорганизмов (плесень, грибки) и химических реагентов, а добавки, совместимые с модификатором, могут сделать ее полностью или частично гидрофобной и негорючей. На определенной стадии техпроцесса механохимически модифицированная древесина (МХМД) становится пластичной и способна легко деформироваться под действием температуры и давления. Карбамид экологичен, так как по воздействию на человека и животных – химически нейтрален и даже применяется как кормовая добавка для крупного рогатого скота.

    Технологический процесс механохимического модифицирования древесины прост: сквозная пропитка заготовки водным раствором модификатора, сушка и термическая обработка. Если необходима повышенная прочность, или твердость механохимически модифицированной древесины (МХМД), или придание изделию заданной формы или профиля, то проводится термопрессование, гнутье или термопрокат высушенной древесины. В результате МХМД задаются нужные для потребителя дизайнерские, прочностные и эксплуатационные свойства, представленные в таблице. Порода исходной древесины незначительно влияет на конечные свойства модифицированной древесины и поэтому экономически выгодно применять для модифицирования дешевую неделовую древесину.

    Может быть применено стандартно выпускаемое промышленностью оборудование: обогреваемые ванны или автоклавы для пропитки, конвективные или вакуумные сушильные камеры, камеры термической обработки с температурой до 200°С. Для прессования – это гидравлические пресса с обогреваемыми плитами, гибочное оборудование для гнутья, термопрокатные установки со специально изготовленными профилированными валками. Опробованы, пока в опытно-промышленном масштабе, специальные установки для механохимического модифицирования древесины, которые позволяют проводить все стадии модифицирования без перезагрузки заготовок, уплотнять заготовки во время сушки и даже придавать им заданный профиль на стадии сушки – например паз и шип для строительного бруса. Применение таких установок очень значительно сокращает время модифицирования и расходы на переработку древесины.

    Применение изделий из механохимически модифицированной древесины в строительной индустрии может быть настолько разнообразным и почти повсеместным, что затруднительно даже ответить на вопрос: где МХМД применять неэффективно? Однако начнем «танцевать от печки». Сделать МХМД негорючей реально, более того образцы такой древесины есть, а если их уплотнить до 1500–2000 кг/м³, то из таких «деревянных кирпичей» можно сложить печь или камин.

    Далее – фундамент. Поскольку МХМД очень прочна, не поддается гниению, воздействию микроорганизмов и химических реагентов, а также не горюча – то изготовление из нее столбчатого или ленточного фундамента напрашивается само собой. В качестве опалубки для заливки фундаментов или стен модифицированная древесина применяется с 80-х годов и даже введена в СНИПы. Благодаря ее прочности, термо- и химической стойкости, ее можно применять как материал форм для изготовления бетона и других строительных смесей.

    Оцилиндрованное бревно и брус из МХМД, изготовленные в опытно-промышленном варианте установки модифицирования древесины, отличаются тем, что в них не нужно протачивать чашеобразный продольный профиль на бревне или шип и паз на брусе – это можно выпрессовать в установке в процессе сушки. Так бревно ели диаметром 200 мм, длиной 2,5 м в свежесрубленном состоянии с влажностью 85%, плотностью 450 кг/куб.м., со всеми присущими данной породе недостатками (выпадные сучки, малая био-, огне-, влагостойкость) через 77 часов обработки в установке имело следующие свойства:

        влажность 8%;
        плотность 630 кг/куб.м.;
        огнестойкость повышена на 50%, а при применении специальных добавок к модифицирующему раствору бревно вообще не поддерживает горение;
        влагостойкость повышена на 30% (больше – при применении спецдобавок к модификатору);
        МД воздействию биовредителей (плесень, грибки, жучки и т.д.) не подвержена; выпадные сучки впрессованы и вплавлены;
        на бревне могут быть выпрессованы паз и гребень для сочленения при сборке сруба (опробованы – глубиной 15 мм и шириной до 25 мм);
        текстура древесины ярко выражена, цвет можно изменять от золотистого до темно-коричневого по всей толщине.

    Оцилиндрованные бревна из МХМД сосны, березы и ели, далее бревна с отформованным чашеобразным профилем, брус из дуба и бревно с отформованным шипом и пазом
    Оцилиндрованные бревна из МХМД сосны, березы и ели, далее бревна с отформованным чашеобразным профилем, брус из дуба и бревно с отформованным шипом и пазом

    Следует отметить, что дом из такого бревна или бруса выглядит очень красиво, он не нуждается во внешней и внутренней отделке, а так же дополнительных профилактических мероприятиях. Усадки дома после сборки не происходит, поскольку бревно или брус высушены при модификации до 10–12%. Брус и бревно «не ведет», прочность зависит от степени уплотнения древесины, поэтому нет смысла изготавливать из МХМД клееный брус, сократив себестоимость. Из бруса можно изготавливать балки, арки, фермы и т. д., то есть это весьма перспективный материал для каркасного домостроения.

    Для каркасного домостроения можно изготавливать также стеновые панели методом термокомпрессионного формования. Для этого из металла, например сталь 3, изготавливается контурная пресс-форма требуемого размера, в которую «в распор» выкладывается пакет специально изготовленных реек из МХМД одинаковой толщины. Специальная подготовка пакета реек заключается в том, что механической обработкой (сверлением и выборкой паза) внутри пакета создается система пустотелых каналов, образующих внутри щита решетку, которая перед прессованием заполняется вспенивающимся составом. Состав представляет собой смесь опилок МХМД и карбамидной смолы с порофором, которая затвердевает при достижении температуры прессования. На пакет заготовок для изготовления щита помещается прокладочный металлический лист или, если требуется получить рельефную поверхность, трафарет. Сверху выкладывается термокомпрессионный вкладыш, состоящий из сегментов специального материала с большим коэффициентом термического расширения. При нагревании вкладыш увеличивается в объеме намного больше, чем металлический ограничивающий контур и тем самым создает необходимое для уплотнения щита из МХМД давление (до 30 МПа). Форма замыкается с натягом пуансоном, в котором, как и в матрице, находятся нагреватели. При нагреве происходит прессование щита и образование внутренней подкрепляющей решетки, которая при эксплуатации стенового щита или панели не допускает коробления и изменения заданных размеров.

    Подобным образом можно изготовить паркетные щиты, декоративные панели, дверное полотно любых размеров за один цикл прессования. Паркет, изготовленный из механохимически модифицированной древесины, отличается повышенной твердостью и износостойкостью, стабильностью размеров. На паркетный щит можно нанести плоское декоративное изображение подобное интарсии, и даже изображение с голографическим эффектом. Наносимое на щит изображение и изменение цвета МХМД при прессовании скрадывает несоответствие в текстуре соседних реек при наборе щита.

    Из МХМД можно изготавливать дверные и оконные блоки, погонажные изделия, элементы отделочного декора. Так как до термообработки модифицированная древесина хорошо изгибается, гнутьем можно изготавливать арочные элементы окон или дверных проемов, гнутые поручни для лестниц и другие конструктивные и декоративные строительные элементы.

    Введением специальных добавок в модификатор можно получить водостойкую МХМД, из которой можно изготавливать садовые беседки и мебель, плитки и доски для садовых дорожек, а прессованием – черепицу для покрытия крыш. Долговечность этих изделий не уступает аналогам из полимерных материалов, а природный дизайн древесины не нуждается в защитных и декоративных покрытиях.

    Производство изделий из механохимически модифицированной древесины может быть внедрено на любом деревообрабатывающем предприятии, для этого требуется лишь дооснастить его специальным оборудованием для модифицирования древесины. Базовым типом оборудования является автоклав, перепрофилировав который можно силами вспомогательных служб предприятия изготовить установку для модифицирования. Это новая инновационная технология и оборудование пока серийно не выпускается даже за рубежом. Но, судя по быстрому освоению технологии термодревесины и довольно широкому спектру предлагаемого оборудования, технология МХМД в ближайшие годы займет достойное место в деревообрабатывающей промышленности, а изделия из МХМД – в строительной индустрии.

    Древесина свойства применение:

    Проведен обстоятельный обзор традиционных и инновационных способов модификации древесины. На основе сравнения свойств, приобретает модифицированный материал, осуществлен анализ его применения, и сделан вывод в пользу тепловой модификации как промышленного экономически целесообразного способа.

    Всесторонне рассмотрены технологические особенности промышленно известных методов термической модификации и свойства термически модифицированной древесины. Приведены данные по патентному защиты технологии термической модификации древесины и особое внимание уделяется конкурентоспособности инновационного продукта и на реальном внедрении его на рынок.Основные цели Тепловой обработки древесины

    Древесина является одним из наиболее распространенных строительных материалов начиная с первых попыток строительства человеком собственного жилья. Она является доступным, легким и простым в обработке материалом. В ранние времена использовались в основном круглые материалы малого диаметра, но со временем пиломатериалы в виде досок и брусьев вытеснили круглую древесину за счет своей практичности в большинстве случаев применения.

    В течение веков в строительстве древесина использовалась для создания фундаментов, наружных и внутренних стен, напольных покрытий, несущих конструкции, производства окон, дверей, мебели и других изделий. Однако в последние десятилетия произошли значительные изменения, вследствие которых древесина теряет свою долю на рынке строительных материалов не выдерживая давления альтернативных НЕ древесных и древесно-композиционных материалов.

    Так, в частности:
    • деревянные фундаменты вытеснены камнем и бетоном;
    • для наружных стен используются в основном кирпич, полимер-песчаные блоки, обычный и легкий бетон;
    • для внутренних стен применяются в большинстве кирпич, легкий бетон, гипсовые плиты и другие материалы;
    • в каркасном строительстве деревянные несущие элементы вытесняются легкими стальными балками;
    • основой напольных покрытий в большинстве случаев является бетон;
    • внешние элементы выполняются в основном из древесины-полимерных композиций;
    • деревянные напольные покрытия вытесняются ламинатами и другими материалами.

    Но в целом ситуацию не стоит драматизировать. Поскольку древесина остается основным материалом в изготовлении крыш а также растет спрос на деревянные односемейные дома разных типов и мебельные изделия из массивной древесины.
    Традиционные методы защиты древесиныТермически модифицированная древесинаДревесина как материал характеризуется многочисленными положительными свойствами, что позволяет использовать ее в различных отраслях народного хозяйства. Однако два показателя снижают ее конкурентоспособность по сравнению с металлами и синтетическими материалами - это относительно малый срок эксплуатации и сравнительно малая стабильность размеров (формы). Решающим фактором в пригодности изделий из древесины влияние грибковой инфекции вследствие естественного содержания в ней влаги. Поэтому риск грибкового поражения, который особенно проявляется под действием погодных факторов (осадки) вместе с прямым контактом с грунтом, а также влажности постоянного или переменного характера, должен быть обязательно учтено. Из практики известно такие традиционные методы защиты древесины:
    • камерное сушки до влажности материала ниже 20%, при которой создаются неблагоприятные для развития грибка условия;
    • конструктивное решение, которое заключается в использовании влажной древесины в среде с равновесной влажностью менее 20% и защите ее от увлажнения;
    • химическая защита путем пропитки или поверхностной обработки древесины органическим или неорганическими солями, токсическое действие которых прекращает развитие грибка.

    С другой стороны естественная гигроскопичность древесины, которая проявляется в ее набухании и усыхания в среде с переменной влажностью, является причиной возникновения напряжений и в результате поверхностных трещин, которые могут привести к разрушению защитного лакокрасочного покрытия. Это в свою очередь является условием перерасхода древесины по сравнению с синтетическими материалами. Итак, традиционные методы защиты древесины не влияют на усыхание и набухание древесины, а использование химической защиты в некоторых случаях может сопровождаться вымыванием защитных веществ, понижает эффективность защиты в целом и оказывает негативное влияние на окружающую среду.

    В последние годы ведутся активные дискуссии относительно использования химической защиты древесины. В этом свете одновременно меняются и требования к защите древесины, так частности, наряду с ранее известными требованиями к эффективности защитных композиций, простоты и доступности способов их нанесения на необходимую глубину материала, сегодня выдвигаются требования к экологичности защитных веществ.
    Инновационные методы защиты древесиныСовременное использование аварийная дрвесина
    Эти методы имеют целью решение двух проблем - уменьшение риска развития грибка и понижение гигроскопичности древесины.

    1. Тепловая обработка древесины заключается в нагревании древесины до температуры 150 - 270Со по всему сечению, при котором происходит изменение химической структуры стенок клеток, но без изменения их химического состава. В результате в гемицеллюлозы уменьшается количество гидроксильных групп, меньше проявляется гигроскопичность древесины и растет биостойкость. Такая обработка может проводиться различными способами и характеризуется общим снижением механических показателей, в определенной мере может ограничивать область применения этой древесины как конструкционного материала.

    2. Пропитка древесины горячим гидрофобными растительными маслами методом избыточное давление-вакуум. Этот способ принципиально не отличается от химической защиты по технологии и оборудовании. Масло в количестве 80 - 180 кг/м3 древесины размещается между микрофибрилл в стенках клеток и тем самым снижает гигроскопичность древесины.

    3. Просачивания меламиновых смол, которые подобно предыдущему случае откладываются в стенках клеток, блокируют химическое взаимодействие между древесиной и водой, при этом никакой химической реакции между смолой и древесиной не происходит.

    4. Ацетилирования - химическая реакция, в результате которой происходит замещение гидроксильных групп в древесине.

    Независимо от способа защиты полученный материал состоит из тех же химических элементов, что и сама древесина (углерода, водорода, кислорода и азота). Поэтому в процессе обработки такого материала его остатки (отходы) могут сжигаться без ущерба для окружающей среды.
    Свойства материала

    Для всесторонней оценки альтернативных экологически чистых методов защиты древесины необходимо знать основные свойства модифицированной древесины, которые имеют решающее влияние на возможное ее применение.

    Термическая модификация древесины в домашних условиях

    + + Значительный рост
    + Рост
    (+) Кратковременную действие
    0 без изменений
    - Уменьшение

    Приведена характеристика инновационных методов защиты древесины указывает на снижение прочности материала при термическом способе обработки и возможной недостаточной взаимосвязи, особенно при контакте с грунтом. С другой стороны решающее влияние на промышленное внедрение того или иного способа имеет стоимость оброки, которая в отдельных случаях ограничивает использование двух последних способов защиты. Исходя из этого сосредоточим все внимание на исключительно на промышленно известных альтернативных способах модификации древесины.
    Промышленные способы термической модификации древесины

    Использование огня с целью увеличения долговечности древесины известно человечеству уже сотни лет. Так еще во времена викингов элементы оград обрабатывались на открытом огне.

    Научные основы термической защиты древесины заложены в 1930-х годах в Германии и в 1940-х в США. Дальнейшие исследования в Германии в период 1950-70 гг стали основой для современных исследований в 90-х годов в Финляндии, Франции, Германии и Нидерландах.

    Основные параметры промышленных процессов термической модификации древесины отличаются, но общим их характеристикой является то осуществляемых они при ограниченном содержании кислорода в закрытых системах. Известные на сегодня способы можно разделить на 4 группы:

    1. Одноступенчатая обработка водяным паром. В этом случае используются установки подобные сушильных камер, в которые после загрузки материала подается пар, при этом содержание кислорода в воздухе уменьшается до 3,5%, что при температурах 150-200 Со замедляет оксидации (горения) древесины. При обработке предварительно высушенной древесины общая продолжительность процесса составляет около трех дней. Также возможна обработка и сырого материала, но в этом случае длительность процесса будет больше с учетом времени собственно сушки.

    2. Многоступенчатая обработка "Влага-Тепло-Давление". Влажная древесина течение 4-5 часов поддается обработке насыщенным паром или водой (процесс варки) при температурах 160-190 Со, или 150-200 Со. Сам процесс происходит в герметичной емкости под давлением до 1,6 МПа. После этого древесина высушивается в камере в течение 3-4 дней до конечной влажности около 10%. Во время фазы твердения древесину еще раз нагревают до температуры 170-190 Со на 14-16 часов.

    3. Обработка в горячем масле. Высушенная древесина погружается в горячую растительное масло и медленно нагревается до температуры 180-220 Со. Длительность этой обработки составляет 2-4 часа. При этом дополнительно происходит поглощение масла древесиной, которое зависит от размеров материала (поверхности) и может регулироваться. Длительность процесса около одного дня.

    4. Обработка в среде инертных газов. Этот процесс известен как "ретификация. В этом случае вместо водяного пара или масла древесину обрабатывают в среде азота с содержанием кислорода до 2% при повышенном давлении.

    Отличительной чертой всех вышеназванных способов является конечное постепенное охлаждение и увлажнение материала с эксплуатационной влажности.
    Характеристика термически модифицированной древесины

    Тепловая обработка древесины сопровождается разрушением и испарением некоторых составляющих компонентов стенок клеток и является причиной уменьшения массы древесины в целом. При этом в паровоздушной среде уменьшение массы является более выраженным чем при ретификации.

    Стабильность размеров в зависимости от способа термической обработки, параметров самого процесса и породы древесины является на 10-40% больше чем не модифицированной древесины. Это самое наблюдается при усыхания в тангентальный направлении и свидетельствует о существенном снижении влагопоглощение древесины.

    Похожие товары

    Сушка доски осуществляется в двух камерах конвекционного типа вместительностью 10 кубометров условного пиломатериала.
    Древесина дуба признана прочной, твердой и тяжелой, а также имеющей сильный блеск и красивую текстуру. Свойства древесины дуба зависят от условий произрастания дерева.
    Древесный заполнитель представляет собой анизотропный, ортотропный материал неоднородного строения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (поперечный, радиальный, тангенциальный срезы).
    С давних пор древесину ореха используют для производства мебели, благодаря её прочности и текстуре, и тому, что она легко гнется и поддается обработке.
    Один из способов переработки древесных опилок изготовление топливных древесных брикетов, применение которых в качестве топлива улучшает процесс сгорания.
    Нередко в технических характеристиках того или иного напольного покрытия приходится встречать такой термин, как «твёрдость по Бриннелю».