Термическая и химическая модификация древесины
Откуда берутся «нужные» свойства
Технологии термической и химической модификации позволяют изменять свойства изделий из древесины для повышения их долговечности, надежности и сохранения внешнего вида.
Древесина требует обязательной защиты для сохранения первозданного вида и свойств. Производители деревянных конструкций, мебели, пиломатериалов и проч. используют различные технологии, призванные надежно уберечь материал от воздействия различного рода внешних факторов. Обработка древесного сырья и особенности строения используемой для изготовления изделий древесины влияют на те физико механические характеристики, которые приобретает в итоге готовый материал. Свойства древесины анизотропны (от греч. анизос – неравный и тропос – направление). Физико механические параметры древесины зависят от породы, места произрастания дерева, зоны поперечного сечения ствола (заболонь, ядро, сердцевина), направления волокон, наличия пороков и их расположения, влажности и т.д. Все эти параметры надо учитывать в процессе переработки древесины, иначе невозможно гарантировать получение материала с высокой степенью защиты.
Биостойкость и формостабильность, низкие водопоглощение и разбухание – эти свойства древесина приобретает после специальной обработки. В какой степени – зависит от количества удаленной из нее воды.
Различают две формы воды, содержащейся в древесине: связанную (гигроскопическую), которая содержится в клеточных стенках древесины, и свободную (макрокапиллярную), находящуюся в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Повышение содержания связанной воды в древесине при её выдерживании во влажном воздухе или воде сопровождается увеличением линейных размеров и объема древесного сырья, то есть разбуханием. Это вызвано тем, что связанная вода, размещаясь в клеточных стенках, раздвигает микрофибриллы.
Степень разбухания зависит от содержания входящих в клеточные стенки компонентов и их гигроскопичности. Наибольшая гигроскопичность у гемицеллюлоз, а наименьшая – у лигнина. Уменьшают гигроскопичность и разбухание древесины с помощью модифицирования.
Водопоглощение – способность древесины вследствие пористости при непосредственном контакте с водой увеличивать влажность. Максимальная влажность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из предельного количества связанной воды (предела насыщения клеточных стенок) и наибольшего количества свободной воды. Количество свободной воды зависит от объема пустот в древесине. Поэтому чем больше плотность древесины, тем меньше её влажность, характеризующая максимальное поглощение (заболонь поглощает воды больше, чем ядро).
При повышении температуры предел прочности и модуль упругости древесины снижаются и повышается её хрупкость. Влажность древесины более 20%, температура окружающей среды выше 20°С, наличие питательных веществ (например, клеток древесины) – это благоприятные условия для развития грибов.
Придание древесине биостойкости необходимо для обеспечения её долговечности в любых условиях эксплуатации изделия. Сушка древесного сырья позволяет уничтожить питательную среду для микроорганизмов.
Две технологии – два материала
Схема микроскопического строения древесины
лиственных пород:
1 – годичный слой; 2 – сосуды; 3 – крупный сосуд;
4 – мелкий сосуд; 5 – широкий сердцевидный луч;
6 – узкие сердцевидные лучи
Технологии модификации способны изменить химический состав обрабатываемых материалов. В результате они приобретают новые свойства, что позволяет использовать их в помещениях с переменной влажностью и температурой.
Следует особо подчеркнуть, что в процессе модифицирования надо избегать применения ядовитых веществ. Большим спросом пользуется модифицированная древесина, которая не выделяет в течение срока службы и в конце жизненного цикла вредные вещества, угрожающие здоровью человека.
Один из видов технологий модификации – термическая обработка древесины (термообработка). За рубежом разработкой технологий производства термически модифицированной древесины (она же термодревесина или ТМД) занимаются уже давно. В нашей стране о них много говорят, пишут и стремятся широко внедрять в производство. Термически обработанная древесина разных пород с успехом применяется для самых разных нужд. В термодревесине заинтересованы производители садовой и домашней мебели, половых досок, бань, саун, окон, погонажных изделий. Её используют для мощения приусадебных дорожек, облицовки бассейнов и террас, даже для изготовления раковин и ванн. Термически модифицированная осина (Popolus Tremula) стала очень популярной для оформления интерьера в финских саунах, также изделия изготавливаются из модифицированного ясеня, бука или березы.
Снижение гигроскопичности, повышение формостабильности и биостойкости ТМД зависят от степени деструкции (разложения) гемицеллюлоз в древесных клетках. Этот показатель уменьшается в результате разложения основы клеточных стенок при потере гемицеллюлоз. В строительстве такой материал не применяется в нагруженных конструкциях по причине низких прочностных свойств. С этим, пожалуй, единственным недостатком материала пытаются бороться технологи во всем мире, совершенствуя имеющиеся процессы термообработки.
Там, где термодревесина не способна обеспечить необходимые требования к прочности конструкций, её с успехом заменяет ацетилированная древесина или древесина, которая прошла обработку фурфурольным спиртом. Такой материал уже относится к другому виду модифицированного древесного сырья – химически модифицированной древесине (ХМД), как называют высушенную древесину, прошедшую обработку химическими составами, которые придают ей высокие прочностные свойства и повышенную влагостойкость. В качестве конструкционного материала её задействуют, например, в строительстве мостов. Свойства этого материала привлекают к нему повышенное внимание все большего числа потребителей и, соответственно, производственников.
Итак, и у термодревесины, и у ацетилированной есть свои особенности, свои плюсы и минусы и свои области применения. Расскажем об этих материалах подробнее.
Пришедшая из глубины веков
Технологии обработки древесины при высоких температурах были известны много веков назад. Египтяне изгибали древесину в горячей воде, придавая деревянным изделиям нужную форму, а скандинавские викинги использовали тепловую обработку при создании важнейших деталей своих кораблей.
Сушка древесины при высокой температуре увеличивает её формостабильность и уменьшает гигроскопичность. Как уже говорилось, единственным недостатком такой древесины является хрупкость и пониженная ударная вязкость. «Термическая модификация – это обработка древесины с изменением её природных свойств без применения химических веществ, что является отличительной чертой технологии», – поясняет Вим Виллемс (компания FirmoWood, Нидерланды). В процессе обработки тепло проходит через весь объем обрабатываемого изделия, при пропитке эффекта полной обработки достичь намного сложнее. Существуют различные способы термической модификации древесины: в среде насыщенного пара, воздуха, азота, при помощи воды и масел. Свойства, которые материал приобретает в результате термообработки, зависят от времени, температуры, среды обработки, породы, влажности и размеров партии обрабатываемой древесины. При этом надо учитывать множество нюансов. Обработка изменяет цвет древесины: она темнеет. В случае несоблюдения режимов и параметров обработки древесина может потрескаться. Чем больше потеря массы в процессе обработки, тем долговечнее получаемый материал. Долговечность в меньшей степени присуща древесине хвойных пород, в большей – лиственных, что обусловлено высоким содержанием ацетиловых групп, поэтому в процессе термообработки из нее выделяется большое количество уксусной кислоты. При соблюдении режимов сушки получается стойкий, прочный материал, который хорошо поддается отделке и склеиванию. Термообработка – тоже сушка, только высокотемпературная.
Стоимость термообработки значительно ниже, чем химической модификации, но выше, чем традиционной пропитки биоцидами. Выбор сырья для термической модификации огромен: подойдет любая древесина, которую можно сушить в камере. Место и страна произрастания в данном случае не имеют значения.
В исследовательском центре YTI Университета г. Миккели (Финляндия) более десяти лет разрабатывают различные технологии модификации древесины и проводят испытания полученных образцов по международным стандартам. Цель исследований – получение материала, безопасного для окружающей среды и здоровья человека.
Десять лет назад считалось, что ТМД практически полностью заменит химически модифицированную древесину. Однако жизнь доказала обратное: продукции из ХМД становится все больше. Ведь свойства термодревесины позволяют применять её далеко не во всех областях. По мнению профессора Кари Кьюхмонена из исследовательского центра YTI, термодревесину не следует использовать в несущих конструкциях. А вот для других целей её применение в строительстве вполне возможно.
Специалист компании Jartek Тимо Тетри говорит: «В процессе термообработки древесина приобретает весьма полезные свойства. Например, у нее гораздо ниже, чем у натуральной древесины, уровень поглощения влаги и воды. В то же время ТМД можно утилизировать как натуральную древесину, сжигать её в качестве биотоплива».
В течение всего процесса модификации термодревесина сохраняет устойчивость. При эксплуатации изделий из ТМД относительная влажность воздуха будет оказывать на них меньшее воздействие, чем на изделия из обычной или химически обработанной древесины.
Дорогая химия
Изменение свойств древесины с помощью модификации открывает для изделий из нее новые области применения – такие, в которых ранее архитекторы или дизайнеры использовали только сталь, синтетические материалы или бетон. Вместо этих материалов теперь все смелее используется химически модифицированная древесина.
Химическая модификация как способ защиты и улучшения свойств материалов из древесного сырья была известна ещё в прошлом столетии. Несмотря на это, масштабы промышленного производства она приобрела не так давно.
Процесс основан на взаимодействии «активного» древесного вещества и реагента обработки с образованием прочной ковалентной связи. Реакция может проходить в присутствии катализатора или без него.
В настоящее время химической модификацией наиболее широко занимаются за рубежом. В промышленном масштабе получают ацетилированную древесину (АцД). На рынке известны такие марки, как TitanWood, Accoya и др.
В технологическом процессе участвуют органические сорастворители. При взаимодействии уксусного ангидрида с древесиной образуются эфиры и выделяется уксусная кислота, которую обязательно удаляют, иначе изделие будет иметь запах. Ацетилирование уменьшает в древесине количество гидроксильных групп, которые сорбируют влагу. Поэтому равновесная влажность и точка насыщения волокон низки, а формостабильность материала зависит от количества введенного агента пропитки: чем больше это количество, тем выше формостабильность.
Эксперт независимого исследовательского института SHR Боке Тьеердисма подчеркивает, что для получения высокого качества материалов при химической модификации должны использоваться хорошо пропитываемые породы древесины. Только тогда древесина, прошедшая химическую обработку, приобретет те свойства, которые так выгодно отличают её от термодревесины, например долговечность и устойчивость к деформации, что особенно ценно для строительных компаний.
Вим Виллемс из компании FirmoWood (Нидерланды) считает: «Химическая модификация – дорогостоящая технология, применяемая для обработки некоторых пород древесины. Но модифицированная таким образом древесина незаменима в качестве сырья для изготовления изделий с определенными характеристиками, которые отвечают специфическим условиям применения этих изделий в той или иной сфере – там, где термически модифицированная древесина не может быть использована».
Фурфулирование – это пропитка древесины в вакууме фурфурольным спиртом с последующими консервацией и сушкой, в результате чего внутри структуры древесины образуется фурановый полимер. Перед консервацией раствор фурфурольного спирта удаляется.
Этим способом можно обрабатывать древесину различных пород. К примеру, в Норвегии компания Kebony занимается производством фурфулированной древесины, используя южную желтую сосну, бук, клен и ясень. Вначале в автоклаве, длина которого -13 м, а диаметр – 3,25 м, осуществляется пропитка. Давление варьируется от 0,1 до 13 бар. Угол наклона автоклава 5° обеспечивает естественное стекание обрабатывающей жидкости с сырья. После пропитки древесина консервируется: происходит реакция полимеризации фурфурольного спирта с образованием фуранового полимера (при полимеризации образуются высокомолекулярные вещества последовательным присоединением молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру на конце растущей цепи). В вакуумных сушильных камерах поэтапно проходят операции сушки и консервации. Конденсат, который образуется при этом, собирается и повторно используется при обработке следующей партии сырья как разбавитель смеси пропитывающей жидкости.
«Готовый продукт получается прочным, биостойким, формостабильным, с ровным покрытием битумного цвета», – так пишет компания Kebony в своих документах.
Будут ли новые материалы?
Производители как термодревесины, так и ХМД в условиях возрастающей конкуренции на рынке стремятся совершенствовать свою продукцию, ищут способы устранения недостатков выпускаемого на рынок материала: у ТМД – низкой прочности, у ХМД – наличия химических веществ в готовом материале и высокой стоимости технологии обработки. Есть и другие проблемы, требующие решения.
«Дальнейшее развитие технологий модификации древесины, – говорит
г-н Виллемс, – ограничит использование креозота и солесодержащих составов для импрегнирования древесины. В Европе совокупная мощность заводов по производству термически модифицированной древесины уже превышает 200 тыс. м3 /год».
Последними техническими инновациями в области термической модификации можно назвать получение более прочного материала при жестких режимах обработки – это ступенчатая пароподача (ООО «Бикос», Россия); обработка в среде с постоянной равновесной влажностью (FirmoLin, Нидерланды); уплотнение материала в вакуумном прессе (SmartHeat, Нидерланды). Технологии ацетилирования, DMDHEU (обработка 1,3-диметилол-4,5-дигидроксиэтилен мочевиной) и фурфулирования появились сравнительно недавно. В области химической модификации совершенствуются стадии пропитки и консервирования, в технологических процессах все шире используются нетоксичные химикаты. Тем не менее пока большинство новых технологий ХМД не выходят за рамки лабораторных испытаний.
Ученые и производственники сходятся во мнении, что у технологий термической и химической обработки древесины хорошее будущее, им есть куда развиваться и впереди ещё немало открытий в этой области. Вот что говорит Кари Кьюхмонен из Университета г. Миккели: «Продолжается совершенствование технологий и, соответственно, поиск путей получения продуктов с новыми свойствами. Уверен, что скоро мировому сообществу будут представлены многообещающие технологические решения, с помощью которых будут получены специальные виды изделий из древесины». Согласен с ним и Тимо Тетри (компания Jartek, Финляндия). По его мнению, химически модифицированная древесина не только удержит, но и расширит свою нишу на рынке, ведь разработки новых экологически чистых составов для обработки ведутся интенсивно.
Екатерина МАТЮШЕНКОВА
