Модификация древесины. Зарубежный опыт
С 24 по 29 апреля 2009 года в столице Швеции Стокгольме прошла IV Международная научно-практическая конференция по модификации древесины. Более 180 человек встретились в стенах «Норра Латин Центра» (Norra Latin Center) для обмена научным и практическим опытом. В работе конференции участвовал и представитель журнала «ЛесПромИнформ».
С 2003 года коммерческое потребление модифицированной древесины возросло настолько, что стимулировало ученых к проведению исследований в этом направлении и способствовало ещё большему расширению области применения древесины. Как известно, изменять природные свойства древесины можно воздействием химических, биологических и физических агентов. В отличие от термической модификации, обработка химическими веществами изменяет свойства древесины на молекулярном уровне. При химической модификации происходит заполнение полостей клеток, что может привести к изменению гигроскопичности созданного материала, его диффузионной способности, прочности на сжатие и растяжение. Химические вещества, используемые при обработке древесины, необходимо проверять на коррозию металлов, эмиссию вредных веществ, возможность повторного использования, утилизацию и т. д. Большинство способов модификации древесины снижают её прочностные показатели. Но пропитка химическими реагентами способна, наоборот, повысить прочность и твердость материала. Оценивать качество модифицированной древесины следует, учитывая свойства агента обработки (например, гидрофобность), его реакционную способность в отношении древесины и токсичность. Кроме того, созданный материал должен пройти не только лабораторные, но и полевые испытания. В лабораторных условиях становятся известны лишь основные реакционные возможности метода, и не все лабораторные исследования находят применение в промышленности: многое зависит от сырья, материалов и оборудования. Свойства модифицированной и натуральной древесины бывают на редкость схожи. Но после модификации у материала могут отсутствовать способность к смачиванию, твердость, сопротивление сдвигу. Поэтому для каждой породы древесины следует подбирать или создавать конкретные и малозатратные технологии обработки. На сегодняшний день компании Kebony, Titan Wood, Plato Wood и многие другие всерьез занимаются развитием технологий, ассортимента и сбыта модифицированной древесины. Необходимо проводить исследования в области химии, физики, анатомии и биологии древесины и оснащать рынок новыми материалами, а также изделиями из модифицированной древесины.
Реальные цифры и проекты
Любое исследование направлено на создание материала, который находил бы применение. Боке Ф. Тьеердсма (Нидерланды) привел данные проекта «Строительство дорожного моста из ацетилированной массивной древесины сосны (Radiata pine − сосна лучистая)». Напомним, что ацетилирование − это процесс замещения атомов водорода в органических соединениях (в данном случае древесины) остатком уксусной кислоты CH3CO (ацетильной группой). В рамках проекта в 2009 году уже построен первый дорожный мост, который соединил в г. Снеке промышленную зону с жилой. На текущий момент ведутся переговоры по строительству второго моста. Материал, используемый при строительстве, соответствует требованиям европейских стандартов по прочности, водопоглощению, разбуханию, биостойкости и не коррозирует металлы. Кроме того, в Снеке стало меньше автомобильных пробок, а жители города выразили огромную признательность строителям и организаторам проекта за уменьшение шума и пыли от машин.
После доклада о химически модифицированной древесине вниманию участников конференции были предложены разработки компании International Thermowood Association. Её представитель Данкен Майс привел результаты испытаний материала компании Thermowood, D Spruce, используемого при строительстве здания начальной школы в Великобритании. Строение было введено в эксплуатацию осенью 2004 года. Как показала проверка, проведенная в соответствии с европейскими стандартами через четыре года (июнь 2008 года), значительных изменений прочности и биостойкости материала не наблюдалось.
Получить материал с особыми или требуемыми свойствами можно двумя путями: разработать новую технологию либо усовершенствовать существующую. Второй менее затратный, так как не предполагает фундаментальных исследований. Именно его выбрала компания FirmoWood (Нидерланды). Термическая модификация древесины проводится в два этапа: предварительная сушка древесины, затем выдерживание её под высоким давлением в среде перегретого пара при температуре 160−190 °С. Одно из преимуществ этой технологии − в ней предусмотрено выравнивание влажности поступающей на обработку древесины, что позволяет снизить температуру и сократить длительность процесса термообработки.
В последнее время растет интерес покупателя к использованию древесины тропических пород в своих домах. А спрос рождает предложение. Поэтому компания Kebony (Норвегия) с 2004 года занимается производством модифицированной древесины (бука, клена, южной желтой сосны) путем её обработки фурфурольным спиртом. Пропитка проходит в автоклаве, что обеспечивает глубокое проникновение спирта в древесину. В результате гидроксильные группы древесины реагируют с ионами водорода фурфурольного спирта и образуется фурфурольный полимер. Процесс модификации завершается сушкой материала.
Наука и ещё раз наука
Пополнить багаж знаний о влиянии кислотного катализатора на предел прочности при изгибе модифицированной древесины участникам помогли исследования, проведенные в Нидерландах. Содержание кислоты в древесине снижает прочность на изгиб у полученного материала, эксплуатируемого при повышенных температурах и влажности, так как происходит гидролиз полисахаридов. В зависимости от вида кислоты и её концентрации древесина теряет от 10 до 50 % прочности под воздействием тепла и влаги. Поэтому была предложена методика введения кислотных катализаторов разной концентрации в неотвержденную фурановую смолу. Испытания проводились согласно стандарту ASTM D5664 (определение влияния кислоты, используемой в процессе модификации, на прочностные свойства древесины, состаренной при высоких температурах во влажной среде). Древесину обработали смесью, состоящей из неотвержденной фурановой смолы и четырех кислотных катализаторов − однопроцентных водных растворов малеинового ангидрида, уксусной кислоты, фосфорной кислоты и семипроцентного водного раствора фосфорной кислоты. Испытания проводились в течение 108 дней, по прошествии которых определяли предел прочности при скалывании и модуль упругости. Эти показатели наиболее важны для конструкционных материалов, по мнению докладчика. В результате все четыре концентрата прошли проверку и могут быть рекомендованы для применения в промышленности.
Всегда ли учитываются климатические условия при продаже или покупке изделия? Какие показатели важны при использовании древесины тропических пород? Эти вопросы волнуют французских ученых, которые проводили исследования с целью повышения стойкости модифицированной древесины к термитам. Способностью древесины сопротивляться термитам, которые поражают конструкционные материалы, эксплуатируемые в странах Южной Европы, часто пренебрегают. Необходимо совершенствовать методы определения потери массы древесины при эксплуатации, особенно в лабораторных условиях. Сравнивались методики испытаний американских, австралийских, японских и европейских стандартов. При выборе конструкционного материала, используемого в качестве половой доски или облицовки, следует обращать внимание на стандарты, по которым проводилось испытание модифицированной древесины на биостойкость.
Что лучше − термическая или химическая обработка древесины? Как правило, из «двух зол» выбирают меньшее. Точно ответить на этот вопрос невозможно. Следует провести целый комплекс испытаний агентов обработки, отработать технологию и учесть все издержки. Ученые и производители во всем мире продолжают совершенствовать технологии обработки древесины. Ведь результаты стоят того: долговечный и прочный материал производителю дает возможность развивать бизнес, получать прибыль, а потребителю служит гарантией высокого качества изготовленной из него продукции.
Екатерина МАТЮШЕНКОВА
Комментарии
>
Мы попросили участников конференции поделиться впечатлениями о состоявшемся мероприятии, пояснить, в чем состоит отличие термически модифицированной древесины от древесины, модифицированной химическим способом, и посоветовать потребителям модифицированной древесины, на какие её характеристики следует обращать внимание при покупке.
Магнус Эстберг, Шведский институт защиты древесины:
− Я бы выделил такие темы, как тепловая обработка древесины, ацетилирование, фурфулирование. Очень интересно узнать, что появилось нового в уже существующих методах модифицирования древесины, насколько безопасны изделия из модифицированной древесины для окружающей среды и здоровья человека.
Что касается различий древесины, модифицированной термически и химически. При любом способе тепловой обработки разрушаются гемицеллюлоза и лигнин, в результате изменяются механические свойства древесины. Поэтому нельзя использовать термически обработанную древесину в строительстве. При ацетилировании гемицеллюлоза не разрушается, в результате взаимодействия ацетатных групп образуются эфиры, которые долго остаются на поверхности древесины. Подобная реакция происходит и при фурфуляции: фурфурольные группы присоединяются к молекулам древесины, образуя фурфурольный спирт.
Относительно советов покупателям модифицированной древесины. Сразу скажу: сделать выбор нелегко. Прежде всего, следует оценить эксплуатационные характеристики изделия. Постараться узнать о недостатках. Часто производитель умалчивает о них. Как быстро образуется сложный эфир при ацетилировании древесины? Каковы энергозатраты при обработке древесины фурфурольным спиртом? Все это надо знать. Когда говорят об экологической безопасности продукта и его безвредности для здоровья человека, то важны результаты испытаний в соответствии со стандартами ISO. При оценке качества можно ссылаться на европейский стандарт EN 350 (воздействие на окружающую среду строительных конструкций в Европе). Важно знать условия эксплуатации модифицированной древесины, в том числе её срок службы, уровень токсичности. Добавлю: если у производителя есть гигиенические и санитарно-эпидемиологические сертификаты, то он может смело выходить со своей продукцией на рынок.
Вальдемар Хоман, инженер-технолог Голландского научно-исследовательского института TNO (Нидерланды):
− Термическая обработка снижает прочность древесины, ухудшает эстетические характеристики. Модифицирование древесины различными химическими агентами позволяет этого избежать, но цены на такое сырье значительно выше, чем на термодревесину.
На мой взгляд, покупателю надо делать выбор, исходя из предполагаемых условий эксплуатации материала. Как уже говорилось, термически модифицированная древесина не подходит для строительства. Химически модифицированную древесину можно использовать в строительстве, но многое зависит от вида применяемого химиката.
Холгер Милитц, профессор Геттингенского университета, кафедра лесной биологии и древесных материалов (Германия):
− Что касается выбора материала, то я обратил бы внимание потенциального потребителя на следующее. Такой метод химической модификации, как ацетилирование, позволяет получить материал первого класса прочности, при тепловой обработке чаще всего достигается только второй или третий класс. Кроме того, тепловая обработка делает древесину хрупкой. Поэтому покупатель должен четко представлять, какой именно материал ему нужен, изучить рынок и цены.
Финн Энглунд, профессор Шведского научно-технического института Ecobuild, кафедра деревообработки:
− Хотелось бы уменьшить затраты на увеличение срока службы материала. Необходимо чаще задумываться об экономической составляющей продукта. Существуют способы модификации древесины, которые придают материалу повышенную устойчивость к биопоражениям. Однако не всегда нужно добиваться всех характеристик при производстве продукции − часто этого не требуется. Следует найти равновесие между эксплуатационными характеристиками, экологичностью и ценой!
Все технологии термической модификации древесины негативно влияют на её прочность: какие-то больше, какие-то меньше. Однако это не имеет особого значения, если древесина не используется в несущих конструкциях. Химическая модификация, например ацетилирование или фурфуляция, улучшает механические свойства древесины.
Хэл Стеббинс, директор отдела менеджмента и сервиса ООО «Титан Вуд»:
− В настоящее время Европа является мировым лидером в области модификации древесины. По итогам конференции было очевидно, что расширяются области использования древесины, которая приходит на смену экологически вредным строительным материалам, растет альтернатива использованию тропических пород, а производители уже уходят от применения традиционных, экологически опасных, способы защиты древесины.
