ГЛАВА 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОДРЕВЕСИНЫ 1.1. Свойства и применение термодревесины Термодревесина получается в результате особой термической обработки различных хвойных, а также лиственных пород древесины (сосна, ясень, дуб и другие). Другое название материала – термомодифицированная древесина (ТМД) или термодерево. Древесина 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 формы. Решающим фактором в пригодности изделий из древесины является влияние грибковой инфекции вследствие естественного содержания в ней влаги. Из практики известны такие традиционные методы защиты древесины: · камерная сушка до влажности материала ниже 20%, при которой создаются неблагоприятные для развития грибка условия; · химическая защита путем пропитки или поверхностной обработки древесины органическими или неорганическими солями, токсичное действие которых прекращает развитие грибка. В последние годы ведутся активные дискуссии относительно использования химической защиты древесины. В этом свете меняются и требования к защите древесины. Так, в частности, наряду с ранее известными требованиями к эффективности защитных композиций, простоты и доступности способов их нанесения на необходимую глубину материала, сегодня выдвигаются требования и к экологичности защитных веществ. Технологии не стоят на месте, и сейчас применяется много инновационных методов защиты древесины. Эти методы имеют целью решение двух проблем - уменьшение риска развития грибка и понижение гигроскопичности древесины. Применяются следующие методы: 1. Тепловая обработка древесины. Метод заключается в нагревании древесины до температуры 150–270ºС, при которой происходит изменение химической структуры стенок клеток, но без изменения их химического состава. В результате уменьшается количество гидроксильных групп, меньше проявляется гигроскопичность древесины и возрастает биоустойчивость. Такая обработка может проводиться различными способами и характеризуется общим снижением механических показателей, что в определенной степени может ограничивать область использования этой древесины в качестве конструкционного материала. 2. Пропитка древесины горячими гидрофобными растительными маслами. Этот способ принципиально не отличается от химической защиты по технологии и оборудованием. Масло в количестве 80–180 кг/мдревесины размещается в стенках клеток и тем самым снижает гигроскопичность древесины. 3. Пропитка меламиновыми смолами, которые также откладываются в стенках клеток, блокируют химическое взаимодействие между древесиной и водой, при этом никакой химической реакции между смолой и древесиной не происходит. 4. Ацетилирование - 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 (углерод, водород, кислород и азот). Поэтому отходы, остающиеся после процесса обработки такого материала, могут сжигаться без вреда для окружающей среды. Использование огня с целью увеличения долговечности древесины известно человечеству уже сотни лет. Так, еще во времена викингов элементы ограждений 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‑х гг. стали основой для современных исследований в 90‑х гг. в Финляндии, Франции, Германии и Нидерландах. Основные параметры промышленных процессов термической модификации древесины отличаются, но общей их характеристикой является то, что осуществляются они при ограниченном содержании кислорода в закрытых системах. Известные на сегодня способы производства термодревесины можно разделить на четыре группы: 1. Одноступенчатая обработка водяным паром. В этом случае используются агрегаты наподобие сушильных камер, в которые после загрузки материала подается пар. При этом содержание кислорода в воздухе этих установок уменьшается до 3,5%, что при температурах 150–200ºС замедляет оксидацию (горение) древесины. При обработке предварительно высушенной древесины общая продолжительность процесса составляет около трех дней. Также возможна обработка и сырого материала, но в этом случае продолжительность процесса будет больше с учетом времени собственно сушки. 2. Многоступенчатая обработка. Влажная древесина в течение 4–5 ч подвергается обработке насыщенным паром или водой (процесс варки) при температуре 150–200ºС. 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 170–190ºС на 14–16 ч. 3. Обработка в горячем масле. Сухая древесина погружается в растительное масло и медленно нагревается до температуры 180–220ºС. Продолжительность этой обработки составляет 2–4 часа. При этом дополнительно происходит поглощение масла древесиной, которое зависит от размеров материала (поверхности) и может регулироваться. Длительность процесса составляет примерно сутки. 4. Обработка в среде инертных газов. Этот процесс известен как Retification, или, как называют в России, ретификация (не путать с ректификацией). В этом случае вместо водяного пара или масла древесину обрабатывают в среде азота с содержанием кислорода до 2% при повышенном давлении. Тепловая обработка древесины сопровождается разрушением и испарением некоторых составных компонентов стенок клеток и является причиной уменьшения массы древесины в целом. Стабильность размеров в зависимости от способа термической обработки, параметров самого процесса и породы древесины на 10–40% больше, чем у немодифицированной древесины. Это более всего заметно при высыхании и свидетельствует о существенном снижении влагопоглощения древесины. Немаловажным является увеличение хрупкости древесины, что отражается на механической стороне обработки модифицированного материала: растут требования к режущему инструменту, скорости подачи материала при строгании или фрезеровании и др. Вследствие пониженной прочности существенно уменьшается сопротивление вытягиванию шурупов. Так, для древесины сосны, независимо от способа тепловой модификации и направления, этот показатель является меньшим в среднем на 30% по сравнению с немодифицированной древесиной и является особенно важным в разработке конструкций и производстве окон. Для всех способов термической модификации общей чертой является потемнение естественных цветов пропорционально росту температуры, времени обработки и влажности самой древесины. Цвет меняется от светло-коричневого, светло- или темно-шоколадного до темно-коричневого. Что касается биоустойчивости, то данные разнятся в зависимости от способов термообработки, пород древесины, методов их испытания. При испытании тепловых свойств столярных плит, изготовленных из модифицированной древесины, выявлено, что показатель их теплопроводности на 17–25% меньше и наблюдается зависимость теплопроводности древесины от ее плотности. Так, плотность модифицированной древесины сосны в среднем на 8,7–10,4% меньше, чем немодифицированной. Можно сделать вывод о потенциале энергосбережения при использовании термически модифицированной древесины, например, в производстве окон, где теплопотери могут быть уменьшены на 5%. Свойства термодревесины в определенной мере можно менять в зависимости от температуры и продолжительности обработки, давления и вида среды, а также от породы и изначальной влажности древесины. Но при этом необходимо учитывать, что при улучшении одних характеристик может произойти ухудшение других. Так, в частности, значительное повышение температуры улучшает биоустойчивость материала, но приводит к росту хрупкости и уменьшению прочности в целом. При одновременном повышении температуры и продолжительности обработки увеличивается жесткость и стабильность размеров, но одновременно снижаются механические показатели прочности древесины, что ограничивает внедрение материала данного способа обработки как конструкционного материала. С другой стороны, длительная термическая обработка при очень низких температурах не позволяет вообще модифицировать древесину, а многоступенчатое изменение по сравнению с одноступенчатым может иметь существенно меньший эффект на формирование заданных свойств материала. Учитывая вышесказанное, можно подытожить, что целенаправленная термическая модификация древесины является прежде всего компромиссом между основными и второстепенными свойствами древесины, которые играют решающую роль в производстве конечного продукта. Возможности применения термодревесины зависят от специфических свойств, которые она приобретает после модификации. Каждый производитель самостоятельно определяет для себя те сегменты рынка, которые могут быть заполнены его продуктом. Анализируя современный европейский рынок продукции из термодревесины, можно отметить, что наиболее широко этот материал используется для производства фасадов домов, оконных рам, заборов, внутренних интерьеров, скамеек, дверей, напольных покрытий, различной мебели, а также для теплоизоляции стен. Таким образом, сфера применения термодревесины не особо отличается от традиционного применения массивной древесины. В зависимости от страны-изготовителя, производство ТМД может отличаться, но максимальное распространение получила финская технология. Ее суть заключается в термогидролизе древесины в условиях ограниченного доступа воздуха в атмосфере водяного пара при высоких температурах (150-240⁰С). Термообработка может быть одноступенчатая и многоступенчатая, во втором случае водяной пар подается под давлением (1,6 Бар). Также применяется ректификация – под давлением подается не воздушный пар, а инертный газ (азот), этим способом изготавливают ТМД высшего качества. В зависимости от температуры пара, которым обрабатывается древесина, она разделяется на классы, отличающиеся внешним видом и свойствами. Пар до 190⁰С – первый класс, легкое изменение оттенка, минимальные улучшения свойств. Пар до 210⁰С – второй класс, более темный оттенок, повышение прочности и устойчивость к гниению. Пар до 240⁰С – третий, класс (высший), темные, насыщенные оттенки, максимальная плотность, твердость, прочность. Если максимально упростить – древесину принудительно высушивают при высоких температурах, но в результате воздействия паром или газом из нее удаляется не только влага, но и полисахариды, провоцирующие процесс гниения. К отрицательным свойствам прежде всего относится повышенная хрупкость и колкость, так как в результате термической обработки эластичность большинства пород оказывается понижена. Именно это ограничивает область применения: термодревесину не рекомендуют использовать в качестве несущих конструкций и строительного материала. Но здесь стоит отметить, что не все породы подвержены этому свойству. Так, например, у ели прочность на изгиб повышается, у сосны понижается, а граб после термообработки по цвету и прочностным характеристикам доходит до уровня эбена и венге. Также следует учитывать разницу во влажности при склеивании с другими видами древесины (необработанным пиломатериалом, брусом и т.д.). Некоторые виды термодревесины плохо поддаются сращиванию, при использовании металлического крепежа есть риск возникновения сколов и трещин. Небольшим минусом может считаться не слишком приятный горелый запах, особенно характерный для свежеобработанной древесины: то, что производители любовно называют «выраженным запахом настоящего дерева». Но это справедливо лишь для партий, обрабатываемых при температуре выше 200°C, так как выделяется продукт горения фурфурол. У дерева, обрабатываемого при температуре до 160°C, запах горелого дерева вовсе отсутствует. Еще один нюанс – под действием ультрафиолета аристократически потемневшая термодревесина иногда выцветает, становится серой, поэтому без финишной обработки ее лучше не оставлять. Само по себе термодерево не требует покраски, но все же лучше покрыть готовую доску полиуретановым лаком, акриловой краской, воском или маслом.
1.2. Стандарты и технические характеристики термодревесины Европейские стандарты сегодня выделяют 3 класса термодревесины в зависимости от прочности. Стандарт качества EN 335-1-2006. Класс 1. Обработка производится при температуре выше 190°С. Значительных изменений свойств не происходит. Цель - придать декоративные свойства. Данный класс рекомендуется использовать, как и обычную необработанную древесину.
Класс 2. Температура свыше 210°С. Устойчивость к гниению в 3-4 раза повышается, однако снижаются эластичность и гибкость. Применение - качественные пиломатериалы, садовые конструкции, панели и полы, мебель, окна, двери и т.п.
Класс 3. Обработка свыше 230°С. Термодревесина данного класса рекомендуется при необходимой высокой устойчивости к гниению. Например, при изготовлении окон, дверей, наружной отделки, уличных фасадов и настилов (внутренние дворики, балконы), оград и т.п. Финская ассоциация Thermowood сегодня выделяет лишь 2 класса обработки -"Thermo-S" (стабильность) и "Thermo-D" (прочность). В России существует ГОСТ Р 54577-2014 - «Древесина модифицированная». В нем выделены следующие марки продукции: ДМТМ-ОП - древесина, модифицированная термомеханическим способом в виде брусковых и досковых заготовок, полученная путем поперечного одноосного уплотнения предварительно пропаренной древесины с последующей сушкой. ДМТМ-ДП - древесина, модифицированная термомеханическим способом в виде брусковых и досковых заготовок, полученная путем поперечного двухосного уплотнения предварительно пропаренной древесины с последующей сушкой. ДМТМ-КПИ - древесина, модифицированная термомеханическим способом в виде полых цилиндров, полученная путем контурного уплотнения продавливанием через конус (с уплотнением изнутри для полых цилиндров) предварительно пропаренной древесины с последующей сушкой. ДМТМ-ОЧ , ДМТМ-ОЧ - древесина, модифицированная термомеханическим способом различной плотности в виде сплошных и клееных брусковых заготовок, полученная путем одноосного поперечного уплотнения нагретой древесины с последующей ее сушкой. ДМТМ-ОЧ, ДМТМ-ОЧ - древесина, модифицированная термомеханическим способом различной плотности в виде сплошных и клееных брусковых заготовок, полученная путем одноосного поперечного уплотнения нагретой древесины с последующей ее термообработкой. ДМТМ-ОХ - древесина, модифицированная термомеханическим способом в виде брусковых и досковых заготовок, полученная путем поперечного одноосного уплотнения без предварительного нагрева или пропаривания древесины с последующей ее сушкой. ДМТМ-ОППС - древесина, модифицированная термомеханическим способом в виде брусковых заготовок, полученная путем наполнения древесины расплавом пластичной смазки и последующего одноосного уплотнения в нагретом состоянии. Таблица 1.1 Физико-механические свойства модифицированной древесины по ГОСТ Р 54577-2014 |
Марка ДМ | Наименование показателей | | Плотность, кг/куб.м. | Влажность, %, | Влагопоглощение за 24 ч, %, | Разбухание в направлении прессования за 24 ч, %, | Предел прочности при сжатии вдоль волокон, МПа, не менее | Твердость торцовая, МПа, | | не более | не более | не более | не менее | | ДМТМ-ОП | 1000-1200 | 6-8 | 6 | 6 | 130 | 120 | | ДМТМ-ДП | 1250-1300 | 6-8 | 4 | 4 | 140 | 150 | | ДМТМ-КПИ | 1200-1300 | 6-8 | 5 | 5 | 120 | 150 | | ДМТМ-ОХ | 1000-1200 | 6-8 | 8 | 7 | 110 | 100 | | ДМТМ-ОЧ1 | 1100-1200 | 6-8 | 5 | 4 | 150 | 160 | | ДМТМ-ОЧ2 | 1250-1350 | 6-8 | 4 | 4 | 160 | 180 | | ДМТМ-ОППС | 900-110** | 6-8 | 3 | 3 | 100 | 120 | Источник: по данным ГОСТ Р 54577-2014 | 
