Обработка низкотоварной древесины на комплексных лесопромышленных предприятиях. Часть 3
Инновационные виды продукции из низкотоварной древесины
Одним из наиболее перспективных направлений эффективного использования низкотоварной древесины является ее модификация путем уплотнения и пропитки, которая позволяет при варьировании пропиточных составов и режимов пьезотермической обработки получать широкую гамму материалов с разными физико-механическими свойствами. Рассмотрим наиболее перспективные направления модификации низкотоварной древесины.
Часть 1. Направления диверсификации с использованием инновационных технологий
Часть 2. Известные виды продукции из низкотоварной древесин
Часть 4. Эффективные технологии заготовки и обработки низкотоварной древесины
Часть 5. Как решить проблему экологической эффективности лесопользования
Часть 6. Производство технологической щепы из низкотоварной древесины
Часть 7. Математическая модель обезвоживания древесины в процессе прессования и сушки
Рис. 1. Конструкция шпалы, разработанная в СПбГЛТУ:
а – шпала, вид спереди; б – фрагмент шпалы с
закрепленным на ней рельсом железнодорожного пути;
в – то же, вид сверху; 1 – шпала; 2 – железобетонное
тело; 3 – опорные площадки; 4 – пустотные каналы;
5 – закладные болты крепления; 6 – демпфирующие
элементы; 7 – пазы; 8 – металлические пластины;
9 – рельсы; 10 – накладные пластины
Модификация низкотоварной древесины позволяет получать продукцию, которой можно заменять изделия из деловой древесины, а также продукцию, традиционно производящуюся из недревесных материалов, например из металлов или пластиков. Одним из широко распространенных видов изделий, производимых из деловой хвойной древесины, является шпалопродукция (шпалы и переводные брусья). Достоинства деревянных шпал широко известны: это дешевизна, легкость транспортировки и монтажа, коэффициент демпфирования, позволяющий существенно снизить износ подвижного состава железных дорог. С другой стороны, выход шпал из шпальных бревен составляет не более 50%, деревянные шпалы значительно менее долговечны, чем железобетонные, особенно в сложных климатических условиях, быстро выходят из строя (ежегодно - более 2 млн шт.) и требуют утилизации для предотвращения загрязнения окружающей среды.
Для совмещения достоинств железобетонных и деревянных шпал, а также экономии становящейся дефицитной деловой хвойной древесины авторским коллективом кафедры ТЛЗП лесоинженерного факультета СПбГЛТУ разработано техническое решение, суть которого состоит в повышении качества железобетонной шпалы и срока ее службы за счет обеспечения демпфирования шпалой колебаний и ударов при движении подвижного состава. Железобетонное тело шпалы с опорными площадками со сформированными пустотными каналами под закладные болты крепления снабжено демпфирующими элементами из древесины. В теле шпалы со стороны опорных площадок выполнены пазы для установки в них демпфирующих элементов, причем глубина пазов соответствует высоте демпфирующих элементов, которые могут быть выполнены из пропитанной гидрофобным полимером и уплотненной древесины.
Использование шпал предлагаемой конструкции позволяет повысить их срок службы, а также срок службы металлоконструкций вагонов, платформ, колесных пар и иных механизмов, установленных на вагонах, и гравийно-щебеночного основания железнодорожного пути, кроме того, снизить степень воздействия колебаний, вибраций и ударов на транспортируемые грузы и людей, а также на строения и объекты, расположенные в непосредственной близости от железнодорожного пути.
С первой половины ХХ века в Лесотехнической академии велись разработки технологии производства материалов для изготовления деталей машин из уплотненной древесины, в частности подшипников разного назначения. Разработчики утверждали, что использование уплотненной древесины в качестве подобного материала позволит сэкономить большие объемы цветных металлов, используемых, например, для изготовления подшипников, работающих в агрессивных средах. Результаты исследований, выполненных проф. А. Р. Бирманом, показали, что древесина, модифицированная пропиточными растворами, содержащими бор, является конкурентоспособным нейтронозащитным материалом.
Внедрение передовых отечественных разработок в области эффективной обработки низкотоварной древесины будет способствовать обеспечению технологической независимости страны, на необходимость которой указал Президент России Владимир Путин 8 декабря 2014 года на заседании Совета по науке и образованию в Санкт-Петербурге. Модифицированная путем пропитки и прессования низкотоварная древесина может использоваться для производства широкой гаммы изделий: конструкционных, декоративных, защитных и т. п. Вид получаемой продукции зависит от способа и режимов обработки.
Но нельзя забывать о том, что изделия из древесины, причем не только из низкотоварной, подвержены биодеструкции и для обеспечения их качества необходимы эффективные меры по защите древесины от биологических повреждений. Автором работы предложен новый подход к предохранению древесины от микробных поражений, который может быть использован при защитной обработке готовых изделий из низкотоварной и деловой древесины.
Наибольший ущерб древесным конструкциям причиняют микроорганизмы, в частности грибы, использующие древесину как питательную среду. Они активно размножаются при температуре воздуха 5-40 °C, когда влажность древесины не менее 18% и есть свободный доступ кислорода. Микроорганизмы вызывают не только гниение древесины, сокращая срок эксплуатации изготовленных из нее изделий, но и становятся возбудителями разных заболеваний человека, в связи с чем есть необходимость создания экологически безопасных биоцидов (веществ, способных уничтожать или повреждать микроорганизмы) для борьбы с биологическими повреждениями целлюлозосодержащих материалов.
В круговороте углерода в природе принимают участие авто- и гетеротрофные организмы. Существует определенное равновесие между фиксирующими CO2 фотосинтезирующими организмами и микроорганизмами, разрушающими органические вещества. Микроорганизмы разрушают органическое вещество растений до моносахаридов, спиртов, кислот, метана, диоксида углерода, водорода.
Биоповреждения - реакция окружающей среды на антропогенное воздействие. Создаваемые человеком материалы и изделия вовлекаются в естественные процессы, протекающие в биосфере, включаются в естественные биоценозы. Во всех ситуациях, связанных с биоповреждениями, взаимодействуют, с одной стороны, организмы и окружающая среда, с другой - то, что произведено человеком. Поэтому к проблеме биоповреждений имеет отношение только та часть древесины, которая уже не является растущим деревом, а включена в производство. Древесина является органическим субстратом, источником углерода для питания многих организмов. Биоповреждения древесине и целлюлозосодержащим материалам наносят в основном микроорганизмы, разрушающие целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозу, смолы и жиры. Бактерии по сравнению с грибками и насекомыми, разрушающими волокна древесины, причиняют меньший ущерб и оказывают косвенное повреждающее действие. Среди грибков, вызывающих биоповреждения древесины, выделяют три основные группы: грибки поверхностной плесени (плесневые); деревоокрашивающие; дереворазрушающие. Грибки поверхностной плесени разрушают обычно паренхимные ткани заболони. Грибки родов Trichoderma, Cladosporium, Penicillium окрашивают древесину в зеленоватый цвет, а Aspergillus, Alternaria - вызывают появление черных пятен. В отличие от плесневых, деревоокрашивающие грибки глубоко проникают в заболонь древесины и вызывают ее глубокое окрашивание за счет пигмента, находящегося в гифах, и метаболитов, выделяемых мицелием. Среди поражений древесины, вызываемых дереворазрушающими грибками, по окраске и характеру выделяют три типа гнили: белую, бурую и мягкую (умеренную). Грибки белой гнили разрушают прежде всего лигнин древесины, оставляя нетронутыми целлюлозу и участки твердой древесины. Пораженная гнилью древесина легче впитывает воду, за счет усадки имеющиеся в ней трещины расширяются. Замерзающая в трещинах вода усиливает разрушения, появляются сколы и осыпи заболони, весьма уязвимым становится ядро древесины.
Для защиты древесины от биоповреждений необходимо обрабатывать ее с помощью средств, созданных на основании результатов изучения механизмов воздействия микроорганизмов на целлюлозосодержащие материалы. Повреждение материалов происходит под действием нескольких групп микроорганизмов, причем одна группа микроорганизмов своей деятельностью готовит субстрат для другой. В результате формируются взаимосвязанные ассоциации, обеспечивающие выживание и адаптацию каждого вида микроорганизмов в отдельности. В разных условиях окружающей среды, воздействующих на образование субстрата, формируются разные биоценозы, то есть разные популяции.
Среди микроорганизмов, повреждающих материалы растительного происхождения, главенствуют грибки ввиду мобильности и высокой биоактивности, а также широкого набора ферментов.
Грибки очень широко распространены по всему земному шару. Они присутствуют в почве, воде и воздухе. Большинство грибков, вызывающих повреждения материалов, отличаются высокой способностью к размножению. Например, сухоспоровые формы (виды аспергиллов, пенициллов, триходермы и др.) образуют сотни тысяч спор. Эти споры настолько малы и легки, что при малейшем движении воздуха поднимаются на большую высоту и переносятся на огромные расстояния. Благодаря микроскопическим размерам они могут проникать в мельчайшие, невидимые глазу трещины и поры, которыми пронизаны даже такие плотные материалы, как гранит и металл.
Немаловажную роль в повреждении материалов микроскопическими грибками играет способность последних расти в биологически экстремальных условиях. Споры грибков устойчивы к высыханию. Известны случаи, когда они выдерживали высушивание в течение 20 лет и более. Значительная часть спор переносит низкую температуру без потери биохимической активности.
Грибки, вызывающие биоповреждения, входят в группу сапрофитов (микробов, питающихся мертвыми органическими веществами и противопоставляемых паразитам, живущим в организме или на нем и питающимся живым органическим субстратом). Они тесно связаны с субстратом, у них большая поверхность всасывания, и они оказывают активное влияние на окружающую среду через продукты метаболизма. По отношению к субстрату их можно разделить на две группы: неспецифические и специфические сапрофиты.
К неспецифическим сапрофитам, поражающим древесину, относятся грибки-полифаги родов Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Alternaria, Fusarium. Деловую древесину в основном повреждают специфические сапрофиты, например грибок Serpula lacrymans.
Большую роль в разрушении древесины играет способность грибков образовывать мицелий, который, быстро разрастаясь, захватывает большие площади субстрата и благодаря воздействию ферментов и органических кислот разрушает его. Органические кислоты являются агрессивными метаболитами грибков, разрушают целлюлозосодержащие материалы и лакокрасочные материалы. Ферменты разрушают основные типы связей в пораженном материале.
На мертвых древесных субстратах первыми появляются микроорганизмы, использующие легкодоступные углеводы. К ним относятся мукоровые «сахарные» грибы из родов Penicillium, Aspergillus. По мере обеднения субстрата легкодоступными источниками питания эту группу грибов сменяют медленно растущие целлюлозосодержащие грибы Chaetomium sp., Humicola grisea, Mycogone nigra.
Целлюлозоразрушающие грибки родов Trichoderma и Fusarium могут расти параллельно с «сахарными» грибками или опережать их в росте. В группу медленно разрушающих входят преимущественно базидиомицеты, которые завершают деструкцию древесины. Наличие изоферментов у грибков дает им возможность образовывать споры в довольно широком диапазоне температуры, влажности, рН и других факторов. Популяции в биоматериале могут быть довольно разнообразными, что обусловлено породой дерева, условиями окружающей среды, возрастом древесины, временем ее хранения, количеством влаги в ней, pH, температурой и другими факторами. Грибки обладают изменчивостью из-за наличия гетерокариоза - вариабельности числа ядер в мицелии того или иного тела, что дает возможность возникновения новых штаммов, которая может быть вызвана и изменениями окружающей среды, и применением биоцидов.
Особое значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеет вода. Рост грибков наблюдается при влажности 13-15%, бактерий - при 20-30%. Но при метаболизме на древесине некоторые грибы могут выделять до 140 л воды при разрушении одного кубометра древесины. Повышение влажности материала под действием грибков создает условия для увеличения биоценоза за счет более влаголюбивых микроорганизмов. При изменении оптимальных условий жизнедеятельности грибки переходят в анабиоз.
Для защиты древесины от биоповреждений необходимо использовать комплексные меры, включающие мероприятия по профилактике биоповреждений, которые ограничивают увлажнение материала и действие других неблагоприятных факторов, а также применение средств защиты, обладающих антимикробной активностью.
В настоящее время известно несколько тысяч биоцидов, относящихся к разным классам химических соединений. При подборе биоцидов учитываются свойства микробных клеток. Для того чтобы достичь лучшего результата в борьбе с бактериальными и грибковыми заражениями древесины, необходимо учитывать, что основной задачей мероприятий является обеспечение условий для деградации клеточной стенки с помощью биоцидов. Так как для метаболизма клетки важна транспортировка веществ через мембраны, необходимо подбирать вещества, подавляющие этот процесс.
Биоциды должны быть высокоактивными против повреждающих агентов и безопасными для здоровья человека, но не оказывать негативного воздействия на физико-химические и другие свойства древесины. Существуют разные методы обработки древесины биоцидами. Для обеспечения лучшей пропитки древесины ее сначала обрабатывают горячим растворителем, а затем холодным антисептиком. В процессе воздействия горячего растворителя воздух, находящийся в порах древесины, расширяется и частично выходит, а антисептик заполняет поры. Также применяются вакуумирование древесины, распыление растворов и другие приемы.
В качестве биоцидов применяются антисептики, растворимые в органических растворителях. Химические биоциды, такие как бихромат калия в сочетании с сульфатом меди, фтористый натрий и многие другие, являются токсичными веществами, поэтому их применение для обработки деревянных конструкций, использующихся в строительстве зданий, неприемлемо.
Исследования показали, что повышенная концентрация азота ингибирует рост многих грибков. Поэтому препараты на основе азотсодержащих соединений представляют интерес для разработок в области защитных средств от биоповреждений.
Таким образом, сегодня для защиты древесины от микробиологических повреждений существует довольно широкий спектр средств, обладающих биоцидным действием. Однако, несмотря на значительные успехи в создании эффективных средств защиты целлюлозосодержащих материалов и древесины, проблема создания эффективных средств, обладающих биодеструктивными свойствами, остается острой. В этой связи можно рассмотреть в качестве биоцидов использование фагов против плесневых грибов, бактерий и других микроорганизмов, вызывающих биоповреждения древесины.
Фаги микроорганизмов - вирусы, вызывающие лизис (распад микробной клетки) микроорганизмов и размножающиеся при этом с уничтожением микрофлоры, разрушающей древесину.
Выявлены фаги, действующие против всех систематических групп микроорганизмов: бактерий (бактериофаги), актиномицетов (актинофаги), одноклеточных водорослей (циано- или альгофаги), микоплазм, мицелиальных грибков и дрожжей. Фаги различаются по размерам, форме и тонкой структуре частиц. По химическому составу фаги являются нуклеопротеидами. В зависимости от типа нуклеиновой кислоты фаги подразделяются на ДНК-вые и РНК-вые. Содержание белка и нуклеиновой кислоты у разных фагов разное, у некоторых фагов почти одинаковое. Кроме указанных основных компонентов, фаги содержат в небольших количествах углеводы и некоторые жиры, преимущественно нейтральные.
Лизис может быть вызван разными физическими и химическими факторами. В ряде случаев распад может происходить на определенном этапе развития микробной клетки как нормальный физиологический процесс ее старения. Однако есть принципиальное различие между распадом клетки, вызванным бактериофагами и химическими факторами. Если в первом случае размножается бактериофаг, вызывающий лизис, то при распаде клетки под влиянием физических и химических факторов это не происходит.
Важно, что размножение фага возможно только в живых клетках, находящихся в стадии роста, но не в мертвых клетках, а также продуктах клеточного обмена. Процесс размножения фага весьма сложен, он состоит из последовательных этапов: адсорбции фаговой частицы на поверхности микробной клетки; проникновения содержимого головки фаговой частицы (нуклеиновой кислоты) в микробную клетку; внутриклеточного развития фага, заканчивающегося образованием новых фаговых частиц; лизиса клетки и выхода из нее новых фагов. Фаги фитопатогенных микроорганизмов успешнее всего выделяются из остатков древесины, пораженной микробами, так как субстраты, на которых развиваются определенные формы микроорганизмов, также благоприятны для существования фагов.
Итак, биологически активные вещества можно использовать для создания экологически чистых технологий модифицирования древесины для производства деревянных конструкций с повышенной стойкостью к биологическим повреждениям.
Ольга КУНИЦКАЯ, д-р техн. наук, доцент СПбГЛТУ
