Способ обработки термомодифицированной древесины Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 674.04

Е. Ю. Разумов, Р. В. Данилова

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: вакуумирование, термическая обработка, запах, жженая древесина.

Предложен способ обработки термомодифицированной древесины путем чередования стадий вакуумирования и нагрева в среде насыщенного водяного пара, а также установка для его осуществления с целью удаления из пиломатериалов неприятного запаха жженой древесины. Предложенный способ также позволяет снизить энергозатраты и повысить качество готовой продукции.

Keywords: degassing, heat treatment, smell, burnt wood.

A method for processing wood thermomodified by alternating stages of evacuation and heating in an environment saturated with water vapor, and the installation for its implementation in order to remove the timber from the odor of burnt wood. The proposed method also reduces power consumption and improve the quality of the finished product.

Разбухание древесины во влажной среде и ее подверженность воздействию грибкам и различным биологическим поражениям привели к необходимости обработки древесины для ее использования. До последнего времени самой распространенной являлась химическая обработка древесины. Однако, в связи с вредностью получаемого продукта, с начала 2004 года в Евросоюзе был введен запрет на использование химически обработанного дерева. В связи с этим в настоящее время в Евросоюзе активно развиваются термические технологии обработки древесины, являющиеся единственной альтернативой химической обработке и приводящие при этом к дополнительному существенному улучшению свойств древесины, что открывает новые области ее применения. Благодаря красивому внешнему виду и уникальным свойствам термообработанной древесины ее можно использовать во многих областях, в том числе для внутренней отделки саун, для наружной обшивки строений, устройства полов, как паркетных, так и дощатых, изготовления мебели, лодок, музыкальных инструментов и т.п. Большим спросом пользуется модифицированная древесина, которая не выделяет в течение срока службы и в конце жизненного цикла вредные вещества, угрожающие здоровью человека.

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.

Однако полученный в результате термической обработки материал обладает запахом жженой древесины в течение длительного срока в процессе эксплуатации (около года). В связи с этим нами предложена технология термомодифицирования древесины, основной задачей которой является удаление этого неприятного запаха.

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.

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°С). 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 [1].

Суть технологии термической обработки состоит в нагревании древесины до температуры 150...240°С, соответствующей этим стадиям, до значений, при которых начинается горение [2]. 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 [3].

В результате термической обработки газообразные продукты разложения гемицеллюлозы остаются в капиллярах древесины и впоследствии диффундируют в окружающую среду, что и вызывает неприятный запах в процессе эксплуатации термодревесины. Для того чтобы максимально избежать указанного недостатка была предложена технология обработки полученной термодревесины.

Указанный способ термической обработки древесины можно представить в виде графика изменения давления в процессе термической обработки древесины (рис. 1) и схемы установки для осуществления указанного способа (рис. 2).

охлаждение

__________________________________________б__________________________________________

Рис. 1 - График изменения давления (а) и температуры (б) в процессе термической обработки древесины

Рис. 2 - Схема установки для осуществления способа термической обработки древесины

Установка включает автоклав 1, который снабжен нагревателями 2, 2’, вакуумным насосом 3, парогенератором 4.

Процесс термической обработки древесины происходит следующим образом. Пиломатериалы 5 с начальной влажностью 6 - 16 % загружают в автоклав 1. После герметизации автоклава при помощи вакуумного насоса 3 при открытых вакуумных клапанах 9, 10 ведут процесс вакуумирования (стадия I на рис. 1). При достижении давления 0,2 атм закрывают вакуумный клапан 10, включают термоэлектрические нагреватели 2, 2’ и вентилятор 7 (стадия II на рис. 1). Одновременно с этим через трубы 6 в автоклав 1 подают насыщенный водяной пар из парогенератора 4 при открытом вентиле 8, осуществляют стадию постепенного нагрева в среде водяного пара. При достижении в автоклаве 1 давления 0,7 - 0,8 атм подачу пара из парогенератора 4 прекращают, вентиль 8 закрывают. Далее процесс осуществляют в среде водяного пара, перегретого термоэлектрическими нагревателями 2, 2' до температуры 180 - 220°С (стадия III на рис. 1) с последующей выдержкой в течение 2 - 5 часов (IV на рис. 1). Давление в автоклаве 1 повышают за счет перегрева водяного пара. В случае повышения давления в автоклаве 1 выше атмосферного производят сброс пара через клапан сброса давления 11 в конденсатор 12. После нагрева осуществляют охлаждение древесины путем чередования стадий вакуумирования (V) и подачей насыщенного водяного пара (VI). Для этого включают в работу конденсатор 12 и вакуумный насос 3 при открытом вакуумном клапане 10 и ведут вакуумирование в течение 15 - 20 мин. Далее вакуумный клапан 10 закрывают, отключают вакуумный насос 3 и открытием вентиля 8 подают насыщенный водяной пар из парогенератора 4 до достижения значения давления в автоклаве 1 близкого к атмосферному. Выдержка в среде насыщенного водяного пара осуществляют в течение 5 - 10 мин. Цикл (У-^) повторяют не менее трех раз. В результате обработанные пиломатериалы не обладают неприятным запахом жженой древесины.

Кроме того, подача пара интенсифицирует стадию охлаждения вследствие поддержания в камере давления насыщенного пара не более одной атмосферы, таким образом, создавая температуру окружающей среды не более 100°С.

Условия протекания термообработки древесины и свойства готового материала в большой степени зависят от температуры ее обработки. Если процесс проводится при температуре меньше 180°С, никаких значительных изменений физических свойств

обрабатываемой древесины не происходит. В результате обработки при температуре выше 220°С свойства древесины уже существенно меняются: значительно повышается устойчивость к гниению, но одновременно снижаются гибкость и эластичность, также это приводит к большим энергозатратам.

Применение данной технологии термической обработки позволяет сделать процесс получения термодревесины менее энергозатратным за счет его осуществления при давлениях, не превышающих атмосферное, а также повысить качество термической обработки древесных пиломатериалов и удалить неприятный запах жженой древесины за счет циклического ведения стадии охлаждения древесины [4].

Литература

1. Кислицин, А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы / А.Н. Кислицин. -М.: Лесная промышленность, 1990. - 311 с.

2. Сафин, Р.Р. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, Н.А. Оладышкина // Вест. Моск. гос. ун-та леса «Лесной вестник». - 2010. - №4 (73). - С.95-99.

3. Азаров, В.И. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов / В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская. - СПб.: СПбЛТА, 1999. - 628 с.

4. Сафин, Р.Р. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Н.А. Оладышкина // Вест. Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9. - С.542-546.

© Е. Ю. Разумов - докторант каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ; Р. В. Данилова - асс. той же кафедры, [email protected].