Термодревесина – надежный друг человека

Древесина — материал, сопровождающий человека c тех пор, как он впервые взял в руки орудие труда. Но одновременно человека сопровождают и все недостатки, присущие ей. Это коробление и растрескивание при высушивании, разбухание при увлажнении, подверженность воздействию грибков и другим биологическим поражениям…

Способы сохранения древесины и защиты ее от разного рода вредных воздействий совершенствовались веками, но главным всегда оставалось нанесение на поверхность материалов, деталей и конструкций защитно-декоративных покрытий.

в XX веке к этим способам добавилась химическая обработка древесины — поверхностная и глубокая пропитка различными материалами. Ее смысл в том, что токсичность пропиточного состава, который вводится в капилляры и межклеточные пространства древесины, способствует сдерживанию развития плесени и грибков.

Раздолье для грибков

Однако у химически обработанной древесины имеется один серьезный недостаток: при изменении влажности воздушной среды, в которой она находится, эти составы могут выделяться из нее и оказывать вредное воздействие на окружающую среду, человека и животных. в связи с этим с начала 2004 года в Евросоюзе был введен запрет на использование химически обработанной древесины. Подобные правила действуют также и в США. Принятие жестких нормативов побудило технологов во всем мире изыскивать новые способы защиты древесины от биологических повреждений.

Одним из таких способов стала технология, получившая название Termowood, и подобные ей по принципу обработки исходного материала. Все они появились практически случайно, как результат исследования ошибок, возникавших при неправильном назначении режимов высокотемпературной автоклавной сушки древесины.

Для того чтобы суть этих способов стала более понятной, следует напомнить о строении и химическом составе древесины. Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99 % общей массы), причем элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина содержит в среднем 49 % углерода, 44 % кислорода, 6 % водорода и 0,1–0,3 % азота. Перечисленные химические элементы образуют составляющие древесину основные органические вещества: целлюлозу, гемицеллюлозы и лигнин, по существу, являющиеся термопластами.

Целлюлоза — природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Это стойкое вещество белого цвета, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.). Пучки макромолекул целлюлозы — тончайшие волоконца — называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас клеточных стенок, между которыми находятся лигнин, гемоцеллюлозы, а также вода.

Лигнин — полимер ароматической природы (полифенол), сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лигнин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и ее кислых солей. Гемицеллюлозы — группа полисахаридов, в которую входят пентозаны и гексозаны. Формула гексозанов почти идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60…200, что свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой. Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннидов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.). Но основной питательной средой для развития дереворазрушающих грибков являются как раз гемицеллюлозы.

Почти горение

При нагревании древесины с повышением ее температуры последовательно протекают процессы ее подсушивания, пиролиза и газификации, сопутствующие горению.

При подсушивании испарение влаги происходит при достаточно низкой температуре (50…100°C). Испарение содержащейся во влажной древесине влаги и последующий нагрев водяного пара требуют значительных затрат энергии. В результате пиролиза (термической деструкции) древесины выделяются летучие вещества. Продуктами пиролиза древесины являются в основном смола, уголь и газы с низким молекулярным весом. Также могут выделяться значительные количества окиси и двуокиси углерода (монооксида и диоксида — СО и СО2).

В перечень переменных факторов, от которых зависит количество и свойства продуктов, образующихся в процессе пиролиза, входят температура, давление, скорость нагрева и время реакции. Выход летучих веществ из древесины начинается при температуре 200°С, причем скорость их выделения увеличивается с повышением температуры. Сначала происходит разложение гемицеллюлозы, а затем, при более высокой температуре, разложение целлюлозы. Полное выделение большинства летучих веществ происходит при температуре 400°С.

Суть технологии Termowood^® и схожих с нею как раз и состоит в нагревании древесины до температуры 150…240°С, соответствующей этим стадиям, до значений, при которых начинается горение. Однако горения не происходит, поскольку процесс проводится в среде с высоким содержанием водяного пара и с низким содержанием окислителя (кислорода).

Во время высокотемпературной обработки часть воды, находящейся в древесине, выпаривается. В условиях инертной (практически бескислородной) атмосферы из древесины выделяются монооксид и диоксид углерода, происходит изменение ее цвета, структуры и состава.

Термическая обработка древесины приводит также к многочисленным реакциям, протекающим на разных этапах этого процесса без потери ею главных составляющих (целлюлозы и лигнина). Но в результате длительного гидротермического воздействия гемицеллюлоза разлагается на реактивные молекулы меньшего размера, что, однако, не снижает прочность древесины. Напротив, разрыв цепочки гемицеллюлозы улучшает устойчивость древесины к сжатию и уменьшает внутренние напряжения.

Подобным образом лигнин преобразуется в реактивные молекулы другого типа. Это способствует изменению клеточной структуры древесины. Структура целлюлозы при этом сохраняется неизменной. В процессе термообработки происходит разложение древесного сахара и снижение содержания влаги в древесине, что, в свою очередь, обеспечивает повышение устойчивости древесины к гниению. В обычных условиях именно древесный сахар является питательной средой для микроорганизмов. Взаимодействие реагентов и образование термореактивных (отверждаемых) смол, обволакивающих волнистую структуру целлюлозы, ведет к образованию жесткой структуры материала.

Кроме того, очень важно, что полимеры, составляющие стенки древесных клеток, при высокой температуре расплавляются, отчего стенки сосудов частично свариваются, и древесина теряет присущую ей пористость, что почти полностью исключает в дальнейшем проникновение в нее атмосферной влаги.

Температура и порода

Условия протекания термообработки древесины и свойства готового материала в большой степени зависят от породы древесины и температуры ее обработки.

Так, если процесс проводится при температуре около 190°С, никаких значительных изменений физических свойств обрабатываемой древесины не происходит. Главное назначение этого режима — придать декоративные свойства древесине: ее цвет темнеет, приобретает в зависимости от породы коричневатый, красноватый или желтоватый оттенок.

В результате обработки при температуре выше 210 °С свойства древесины уже существенно меняются: значительно повышается устойчивость к гниению, но одновременно снижаются гибкость и эластичность. Если температуре выше 230 °С, древесина сильно темнеет, максимально возрастает ее устойчивость к впитыванию влаги, повышается твердость, но значительно снижается прочность на изгиб. В процессе обработки при любой из обозначенных выше температур древесина хвойных пород почти полностью теряет смолу. Но основной проблемой, влияющей на качество продукта, является выпадение мертвых сучков из обрабатываемых образцов по причине испарения при высокой температуре таких природных углеводородов, как терпены, а также смол, которые и удерживают мертвые сучки в древесине. Кроме того, в сучках возможно также расслоение древесины по границам годичных колец. Структура древесины твердолиственных пород более однородна, и для нее такая обработка обычно не является проблемной.

Оборудование и технологии производства термодревесины

В последние полтора десятилетия технологии термической обработки древесины активно развивались в Европе — в основном в Финляндии и Франции, а также в ФРГ. Действуют производства в США и Канаде. Несколько небольших участков по выпуску термообработанной древесины уже создано и на предприятиях в России.

Принятые в разных фирмах и странах технологии производства термически обработанной древесины несколько различаются — по режимам термической обработки и управлению этими режимами. Безусловно, существуют различия и в конструкции термообрабатывающих камер.

Оборудование, используемое для термообработки, по конструкции и принципу действия подобно тупиковым высокотемпературным сушильным камерам. К такому оборудованию предъявляются следующие требования: высокая химическая стойкость материала внутренней поверхности камеры (нержавеющая сталь), низкая теплопроводность стенок камеры (увеличенная толщина утеплителя — не менее 200 мм), а также наличие в конструкции электродвигателей и подшипников вентиляторов, предназначенных для работы при высоких температурах, мощных высокотемпературных нагревателей, систем автоматики, обеспечивающих точный многофакторный контроль, управление процессом и режимами обработки материала. Перечисленные требования существенно увеличивают стоимость этих камер по сравнению с обычными сушильными.

объем их загрузки может быть разным — от 5 до 90 м³ материала.

Процесс термообработки включает три фазы — нагрев, сушку, выдержку при высокой температуре — и обычно длится не более 24 ч.

Влажность древесины после термообработки уменьшается на 80–90 %.

Достоинства и недостатки термодревесины

к достоинствам термообработанной древесины могут быть отнесены высокое качество поверхности, во многих случаях не требующей дополнительной отделки лакокрасочными материалами; повышенная невосприимчивость к воздействию грибков и других биологических организмов; долговечность; отсутствие усушки и снижение величины коробления в условиях переменной влажности; повышенная твердость; низкая теплопроводность (на 20–25 % ниже, чем необработанной древесины); устойчивость к воздействию высокой температуры; повышенные противопожарные свойства, а также абсолютная экологическая безопасность.

Термообработанная древесина сертифицирована в России и разрешена для широкого использования.

Ее производством у нас сегодня заинтересовались многие бизнесмены. Новый материал уже нашел применение при изготовлении различных изделий из массива, например садовой и дачной мебели, постоянно (круглый год) эксплуатируемой на открытом воздухе; используется для внешней отделки домов и построек, для изготовления деревянных оконных блоков, дверных коробок и полотен, некоторых других видов столярно-строительных изделий, например половой доски и торцевой шашки, паркета, сувенирных изделий, не подвергаемых отделке, и т.  д. Образцы термодревесины, вырезанные из изделий (садовой мебели, оконных блоков), которые более года и в зной и в холод эксплуатировались под открытым небом в климатических условиях Москвы, показывают, что материал не растрескался и практически не изменил структуру и цвет. И возможно, уже в ближайшем будущем область его применения будет значительно расширена.

Для изготовления мебели и отделки интерьеров с успехом используется термодревесина, обработанная особым образом — так называемым способом «старения», который состоит в том, что на поверхность обрабатываемых деталей наносятся специальные декоративные лакокрасочные составы. Для получения разных оттенков древесины используются определенные режимы термообработки (температура и продолжительность). Причем цвет меняется по всему объему древесины, что хорошо видно на продольных разрезах.

Вместе с тем у термодревесины есть и определенные недостатки, которые могут создавать трудности при ее механической обработке. Например, при пилении и фрезеровании могут образовываться сколы. Термодревесина плохо склеивается при использовании водорастворимых клеев на основе ПВА; у нее недостаточная адгезия некоторых лакокрасочных материалов, в особенности изготовленных на водной основе и т.  д. Природа этих недостатков термодревесины еще пока плохо изучена и требует исследования.

Цены на этот материал в разных регионах страны сильно разнятся. Кубометр термообработанной древесины сосны стоит до 50–60 тыс. руб.

Николай КОЗЕЛЬСКИЙ

Термодревесина (ЛесПромИнформ №9 (58) за 2008 год)