СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 691.11

Рязанов Д.В.

магистрант

Кафедра Деревянных и Металлических Конструкций Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (г. Санкт-Петербург, Россия)

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Аннотация: в статье произведен обзор существующих на современном строительном рынке технологий модификации древесины.

Ключевые слова: модификация, древесина, ThermoWood, Kebony, LIGNAMON, Accoya, аммиак, фурфурол.

Древесина это один из лидирующих материалов, применяемых в строительной и других областях народного хозяйства. Сферы и способы применения древесины стремительно растут с развитием техники и современных технологий. А в связи с тем, что древесина является легкой в обработке, имеет малую теплопроводность, низкий коэффициент температурного расширения, малый объемный вес при высоких механических свойствах, декоративную составляющую интерес к использованию в работе с применением древесины только растет. Но в месте с тем в ней остаются и существенные недостатки такие

как неоднородность строения, деформация форм под воздействием влаги и посредственная биостойкость.

Рисунок 1 - Биоповреждение древесины. Увеличение в 200х

Изучению борьбы с недостатками древесины изменению ее прочностных характеристик посвящены работы многих исследователей. История исследований в области модификации древесины к настоящему времени привела к выделению лидирующих способов модификации и применении их в производственных масштабах. Сегодня на рынке модификации древесины лидируют такие торговые марки как:

- термомодифицированная древесина ThermoWood Association (Финляндия) https: //www.thermowood. fi;

- модифицированная древесина (обработка Фурфуролом) Kebony (Норвегия) https: //us.kebony.com;

- модифицированная древесина (обработка Аммиаком) LIGNAMON CZsro (Чехословакия) Ликвидирована 23 Ноября 2021г.;

- Ацетилированная древесина (обработка Уксусным ангидридом) под торговой маркой Accoya (Нидерланды) https://www.accoya.com;

- Векторная модификация древесины (обработка Карбамидом) производство находится в стадии организации и запуска в Российской Федерации.

Рассмотрим более подробно, чем же различаются данные подходы в модификации древесины.

Термомодифицированная древесина ThermoWood Их модификация заключается в термическом гидролизе древесины при давлении в условиях ограниченного доступа воздуха, при подаче водяного пара и температуре от 190 до 215 градусов цельсия. Термическая модификация улучшает технические свойства древесины, она нетоксична, формостабильна, устойчива к биологическому поражению и не содержит смол. В процессе температурного воздействия удаляются полисахариды. Лигнин разлагается с выделением

А A А A A А А А-А Ал Л É 1 £ á é / / / / / / / lili//////////////// А

/ / / / / / / И/1 / / / / / // // // // // // / / у BflHHMffiHnHf / / i / t / /// ///////////j

ti шшшж! / / / / / / / / / / / / / // // // '/ // / / у

III / // // // // // // ///////// /.

/ / ///////////////////////////// ////////////////////f /////////j III////////////////////////////

п / /////////////////////////////,

Рисунок 2 - Термомодифицированная древесина

фурфурола из-за чего древесина приобретает гидрофобные свойства. Цвет может быть от светло-коричневого до темно-шоколадного в зависимости от температурного процесса. Изменяются и другие свойства древесины, так прочность снижается на 30%, теплопроводность на 17%-25%, а плотность

уменьшается на 8,7-10,4%. Использование термодревесины допускается в любом климате но только для проведения отделочных работ как внутри, так и снаружи зданий.

Модифицированная древесина Kebony Их модификация называется кебонизированием. Древесина под давлением пропитывается фурфуриловым спиртом, получаемым из сельскохозяйственных отходов. Древесина нагревается до температуры 180-230 градусов, и проникший в клетки фурфуриловый спирт полимеризуется делая стенки ячеек древесины на 50% толще. Эта модификация клеточных стенок древесины придает конечному изделию из древесины исключительную стабильность, максимальную твердость. Кебонизированная древесина подвергается сушке. Цвет - темно-коричневый, под воздействием атмосферных условий через несколько месяцев становится серебристым.

Кебонизирование повышает показатели стойкости и твердости древесины, не делая её при этом хрупкой, в отличие от термодревесины. На первый взгляд их модификация схожа, но термически модифицированная древесина подвергается только термообработке без применения какого-либо состава лишается полисахаридов в следствии чего уменьшается толщина стенок ячеек и древесина

становится более хрупкой и менее упругой. Поэтому древесина под торговой маркой Kebony имеет преимущество перед ThermoWood древесиной в прочности и упругости. Прочность на изгиб Kebony не меняется после обработки, а жесткость повышается на 10-20%. Твердость древесины повышается на 30-50%. Kebony можно использовать как внутри, так и снаружи помещений, включая настил, облицовку, полы, кровлю, окна, двери, мебель и предметы дизайна. Предлагаем более подробно остановиться на двух видах модификации древесины под торговой маркой Ассоуа и Векторной модификации. Они представляют больший интерес так как применяются в строительных несущих конструкциях.

Ацетилированная древесина Ассоуа Их модификация называется Ацетилированием. Древесина пропитывается под вакуумом уксусным ангидридом в течение 2-4 часов до остаточного давления 49-98 Па.

Рисунок 4 - Процесс Ацетилирования древесины

Затем температуру повышают до 125-130 °С и обрабатывают 30 часов при 0,7 МПа. Остаток ангидрида удаляют сушкой древесины при 90-100 °С и 98-490 Па. После модификации как побочный продукт остается уксусная кислота, которую тоже запускают в деловой оборот. Давайте подробнее расскажем об ацетилировании древесины и о том, как этот процесс изменяет структуру клеток древесины, в результате чего клеточные стенки «блокируются» для поглощения влаги. Следует отметить одной из отличительных особенностей модификации -

уксусный ангидрид проникает на всю глубину древесины включая плотную древесную сердцевину.

Эта модификация снижает способность древесины поглощать воду в стенках ячеек примерно на 80%, значительно улучшая стабильность размеров. Формостабильность этого материала напрямую зависит от количества агента пропитки. Чем его больше, тем выше формостабильность, но это очень снижает его экологичность.

Рисунок 5 - Процесс Ацетилирования

Гидроксильные группы, которые связывает вода вызывая проблемы с древесиной

Рисунок 6.1 - Химический процесс модификации

Гидроксильные группы - гидроксилы являются гидрофильными, т.е. притягивающими воду из-за чего целлюлоза набухает и становится восприимчивой к биологическим атакам микроорганизмов и грибов.

Процесс модификации древесины уксусным ангидридом с вытеснением молекул воды

Рисунок 6.2 - Химический процесс модификации

По окончании процесса модификации вода не будет проблемой для древесины

Рисунок 6.3 - Химический процесс модификации При Ацетилировании происходит реакция древесины с уксусным ангидридом при высокой температуре 125-130 градусов и происходит замещение воды на ацетильные группы.

Итогом является модифицированная древесина, содержащая те же компоненты что и до модификации только в максимально возможном количестве тех компонентов, которые препятствуют поглощению воды и

обеспечивают постоянную формостабильность, а как следствие отсутствие биологического поражения. Происходит изменение химической структуры, а не просто добавление химического состава. Это и есть цель создания конечного ацетилированного продукта.

Рисунок 7 - Ацетилированная древесина и ее применение

Рисунок №8 Испытание на поглощение воды 1. Ацетилированная древесина; 2. Не модифицированная древесина

Следует обратить внимание на механические свойства древесины, зависящей от породы дерева. Так, при изучении механических свойств ацетилированной

сосны и ели, параметры растяжения и упругость для сосны уменьшились примерно на 6%, но увеличились более чем на 7% для ели.

Отличительной способностью ацетилированной древесины является воздействие на нее ультрафиолетовых лучей. В течение года древесина не меняет первоначальный цвет, а при нахождении под защитой стекла первоначальный цвет держится до 10лет.

Ацетилированная древесина может использоваться со всем спектром клеев для деревянных конструкций. Важно отметить одно ограничение: Меламино-мочевино-формальдегидные клея используются для изготовления в первую очередь несущих конструкций разных типов, длины, кривизны и разных категорий ответственности, но с ними использовать ацетилированную древесину нельзя. Других ограничений древесина не имеет.

Таблица 1 Эксплуатационные характеристики Ацетилированной древесины

СВОЙСТВА МЕТОД ТЕСТИРОВАНИЯ ЗНАЧЕНИЕ

Долговечность EN 84, EN 113, ENV 807, EN 252 Класс 1

Плотность при относительной влажности 65%, Т=20°С 512 ± 80 кг/м3

Прочность на изгиб EN 408 96 Мпа

Твердость ASTM D143 Пласт 4100N Торец 6600N

Теплопроводность EN 12667 0,12 Вт/мК

Содержание при относительной 3 — 5%

равновесной влаги влажности 65%, Т=20°С

В таблице приведены фактические эксплуатационные характеристики ацетилированной древесины. Указанные в таблице цифры подтверждают высокие качественные показатели древесины. Как правило, ацетилированную древесину применяют в тех изделиях, которые, как ожидается, будут подвергаться воздействию атмосферных условий: двери, фасады, облицовка, покрытие палубы, садовая мебель, строительные конструкции. Мы бы рекомендовали обратить внимание на материал, архитекторов, проектировщиков, строителей.

Все вышеперечисленные модификации предполагают обработку древесного вещества одним типом реагента-модификатора. После применения термообработки все они имеют только те свойства, которые запрограммированы в проходимой химической реакции с используемыми реактивами. Мы хотим обратить внимание на совершенно новый тип модификации древесины описанный ниже. Сверхэффективная экологически безопасная древесина, которая впоследствии может стать эталоном в деревообрабатывающей отрасли.

Векторная модификация древесины (обработка Мочевиной) В чем же заключается новизна данной технологии. Векторной она называется потому, что изначально мы имеем возможность задать требуемые нам направление на те свойства древесины, которые нам требуются в конечном итоге. Посредством физических и химических изменений в процессе обработки мы получаем продукт, подходящий к требуемым условиям эксплуатации. Отсюда и название технологии модификации свойств исходной древесины «Векторная». Она позволять воздействовать одновременно на различные качества древесного вещества на микроуровне с целью их запрограммированного изменения. Цель данной технологии использовать неделовую древесину и доводить ее свойства на уровень лучших сортов, а также металлов и пластмасс.

В процессе обработки используют базовый водный раствор комплексного модификатора, состоящего из основного компонента Карбамида (мочевины) и микрокомпонентов, полностью совместимых с естественной биополимерной матрицей древесного вещества. Их особенность доставлять на микроуровне специально подобранные микрокомпоненты, которые позволяют синтезировать естественно ориентированные узлы направленного модифицирования древесного вещества без нарушения его природной микроструктуры. Карбамид (мочевина) мощный состав, увеличивающий в ходе сложной реакции свойства веществ, находящихся с ним по соседству. Раствор карбамида не вреден и химически нейтрален. Экологичность и безопасность процесса гарантирована тем, что карбамид не только естественное удобрение для растений, но и по европейской классификации является пищевой добавкой E927b и входит в состав многих пищевых продуктов. А в финале может быть утилизирован как удобрение. Технологический процесс векторной модификации древесины соответствует ГОСТ 24329-80 «Древесина модифицированная». Пропитка может быть проведена методом окунания в «горяче-холодные ванны» или методом помещения в автоклав. Затем заготовки перемещают в термокамеру, где происходит сушка и термообработка. В случае использования температурного прессования многократно увеличиваются прочностные характеристики векторной древесины. Раствор комплексного модификатора имеет многоразовое применение, а по мере падения концентрации возобновляется по заданному алгоритму. Добавочные компоненты, вводимые при этом, и задают специальные конечные свойства изделия. Приведем пример

Таблица 2 Векторная модификация. Сравнение

№ п/ п Показатели Осина натуральна я Модифицированна я осина Прессованная модифицированна я осина

1 Цвет Белый От желтого до коричневого До черного

2 Текстура Не выражена Ярко выражена Ярко выражена

3 Плотность кг/м3 495 700 1000

4 Предел прочности на сжатие вдоль волокон, МПа 44,7 100,0 150,0

5 Предел прочности при статическом изгибе, МПа 77,4 123,0 250,0

6 Твердость поперек волокон, МПа 18,5 73,0 100,0

7 Влагопоглощени е за 30 суток 19,0 14,9 14,6

8 Биостойкость потеря массы от воздействия грибов за 45сут/% 27 4,0 3,5

9 Модуль упругости при изгибе, ГПа 9,2 20,1 24,7

10 Содержание равновесной влаги 12,0 3,0-5,0 3,0-4,0

Прошедшая обработку древесина во время сушки химически уплотняется в результате удаления воды и реакции модификатора с древесным веществом. Изменения плотности для хвойных пород происходят на 5-31%, а для лиственных на 12-35%. При необходимости большего уплотнения применяется горячее прессование высушенной древесины с уплотнением на 50-70%.

Рисунок 9 - Прессованная векторная древесина слева; Векторная древесина справа

В итоге применяя различные добавки к модификатору, из любой породы исходной древесины можно получить векторную древесину с повышенными прочностными свойствами, высокой твердостью и истираемостью, не поддерживающую горения или полностью несгораемую, с повышенной влагостойкостью, не подверженную биоповреждению. Еще одно из преимуществ векторной древесины — это термопластичный материал. Ее можно прессовать, легко гнуть, создавать термоформы, что открывает новые технологические возможности обработки.

Вышесказанное подтверждает, что модификация древесины позволяет использовать в производстве дешевую древесину мягких лиственных пород, что расширяет область применения древесины, приводит к снижению затрат на производство и сокращению использования лесных ресурсов страны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Зефиров Н.С., Кнунянц И.Л., Кулов Н.Н. Химическая энциклопедия. Том 3. МЕД-ПОЛ Том 3, Научное издательство Большая Российская энциклопедия, Москва, 1992 г., 641 стр., УДК: 54 (03), ISBN: 5-85270-039 Speight J.G. Chemical Process and Desigh Handbook. - McGraw-Hill, 2002 - P. 2.15 - ISBN 0-07-137433-7

Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М. : Большая

Российская энциклопедия, 1992. — Т. 5. — С. 33. — ISBN 5-85270-039-8.

Held H., Rengst A., Mayer D. Acetic Anhydride and Mixed Fatty Acid Anhydrides //

Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley,

2000. — doi:10.1002/14356007.a01_065

URL: https://www.thermowood.fi (Дата обращения 14.02.2022)

URL: https://us.kebony.com (Дата обращения 14.02.2022)

URL: https://www.accoya.com (Дата обращения 14.02.2022)

ГОСТ 24329-80 Древесина модифицированная. Способы модифицирования М.:

Издательство стандартов, 1980 год официальное издание URL:

https://docs.cntd.ru/document/1200014983

Ryazanov D.V.

Master student Department of Wooden and Metal Structures Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (St. Petersburg, Russia)

MODERN TECHNOLOGIES WOOD MODIFICATIONS

Abstract: the article provides an overview of wood modification technologies existing on the modern construction market.

Keywords: modification, wood, ThermoWood, Kebony, LIGNAMON, Accoya, ammonia,

furfural.