CC BY
96
УДК674.09:674.093 Доц. 1.М. Сопушинський, канд. с-г. наук;
доц. В.О. Маевський, канд. техн. наук; доц. 1.С. Вттомв, канд. бюл. наук; мол. наук. ствроб. М.П. Сопушинська - НЛТУ Украти, м. nbeie; проф. Альфред Тайштгер1; проф. Пер Ангельстам2; маг. Роберт Аксельсон2
ЗВ'ЯЗКОК ВЛАСТИВОСТЕЙ ДЕРЕВИНИ ТА ЯКОСТ1 ВИРОБ1В З ДЕРЕВИНИ
Впровадження нових технологий встановлення napaMeTpiB якосп деревини за-лежно вщ якосп кшцево'1 продукцп е одним з ефективних шляхiв використання люо-сировинних ресурсiв та сталого розвитку деревообробно'1 галузi. Основне завдання полягае в оптимiзащi передачi ушфшовано'1 бюлопчно'1 шформацп щодо властивос-тей деревини вiд стовбура ростучого дерева до технологiчних операцiй виготовлення продукцп iз деревини.
Ключов1 слова: яюсть деревини, технологiчний процес, ощнка якостi деревини.
Assoa prof. I.M. Sopushynskyy; assoc. prof. V.O. Mayevskyy;prof. I.S. Vintoniv;
scient. M.P. Sopushynska-NUFWTof Ukraine, L'viv; prof., dr. Alfred Teischinger1; prof., dr. Per Angelstam2; mag. Robert Axelsson2
Relationship between wood properties and wood product quality
Consequently, manufacturers often face problems in converting the versatile raw material into quality products and users of wood products are often frustrated with the performance variability found in finished products. The new measurement technologies, introduced in this paper, are some of the latest and most outstanding developments, that show the power to understand and manipulate diversity-rather than to eliminate it. It must be the main target to transform the inherent properties of the raw material wood, which are a result of a unique biological optimisation into the wood product performances best possible.
Keywords: Wood quality, wood process chain, wood quality assessment
Вступ
Деревина мае р1зномаштш властивосп, сформоваш природним шляхом у ростучих деревах. Властивост деревини як ашзотропного матер1алу за-лежать вщ цшого ряду чинниюв: деревноi породи, люорослинних умов, похо-дження, вжу тощо. Дослщження залежностей м1ж властивостями деревини та виготовленоi 1з неi продукци мае принципове значення для рацюнального використання деревинноi сировини та виготовлення р1зномаштно1" продукци, зокрема пилопродукци i трюки для паперово!" та целюлозно!" промисловост [Matthek, Kubler 1995; Barnett, Jeronimidis 2003].
Взаемозв'язок властивостей деревини i продукцй'
1нформащя про мiнливiсть властивостей деревини е важливою характеристикою у технолопчному процесi деревооброблення, оскшьки якiсть та стабiльнiсть розмiрiв i форми виробiв з деревини е першочерговою ознакою для споживачiв. Анашз широкого спектра властивостей деревини е складним, з одного боку, у межах окремо взятого ростучого дерева та впливу на них рiз-номаштних лiсiвничих чинникiв та чинниюв довкiлля, а з iншого - стосовно
1 ушверситет природних ресурав i прикладних життевих наук, Вдень (University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna)
2 школа тдготовки люових iнженерiв Шведського унiверситету с.-г. наук (School for Forest Engineers, Swedish University of Agricultural Science, Skinnskatteberg)
залежностей мiж властивостями деревини та готово! продукцп з не! (рис. 1.) [КеПошаЫ 2002].
Вiдмiнностi у структурi та хiмiчному складi деревини у межах стовбу-ра окремо! деревно! рослини, мiж рiзними деревами та вплив люорослинних умов зростання е ютотними i вони впливають на експлуатацшш характеристики виробiв iз деревини. Шд час дослiдження залежностей мiж властивостями деревини та виготовлено! iз не! продукцi!' необхiдно враховувати специ-фiчнi вимоги до деревини як сировини для:
• дерев'янних конструкций (мебл1в, столярно-буд1вельних вироб1в, домо-, судно-, вагоно-, автобудування, бондарного виробництва тощо);
• музичних шструменпв та спортивного швентарю;
• деревинно-композищйних матер1ал1в;
• х1м1чно! промисловостц
• паперово-целюлозно! промисловоси;
• отримання енергн.
ВЛАСТИВОСТ1 ДЕРЕВИНИ ЯК МАТЕР1АЛУ
С
з а
Генетично'г спадковости
- походження наання
- посадкового матер1алу
Л
II/» «/»V
а
т
Фактор'ш довктля:
- освгглення
- температуры
- водного режиму
- багатства грунту
ЛШвничих факторгв:
■ посадки
■ догляду
збагачення грунту - лкявничого догляду
Особливостей стовбура:
- форми стовбура Характеристики деревини:
- щшьносп
- р1чного приросту
- частки ядра 1 заболош
- сучив (здоров1 та гнил!)
- наявносп шших вад деревини
- довжини волокон
- частки шзньоТ 1 ранньо'1 деревини
- мщносп деревини
- будови деревини
- товщини кштинжм стшки
- кута нахилу волокон
- х1м1чного складу тощо
-1 1
в I О
Параметри технологичного процесу:
- умов збертання
- модел! розпилювання
- процесу сунпння
- мехашчного оброблення
- опорядження
- модифшацп
- х1м!чного оброблення
ВЛАСТИВОСТ1 ПРОДУКЦП
Рис. 1. Зв 'язок властивостей деревини та продукци Ощнка якост1 деревини
Важливим е групування характеристик деревини з подiбними властивостями для цiлеспрямованого використання, а також вивчення мшливост властивостей деревини (залежно вiд сучкiв, напряму волокон, змши кольоро-вих вщтшюв тощо) у кiнцевих виробах iз деревини. Оптимiзацiя процесiв розпилювання круглих лiсоматерiалiв для отримання пилопродукцi! з визна-ченими властивостями та !х врахування для виготовлення кiнцево! продукцп (сортування за мiцнiстю та структурою) забезпечуе добротний матерiал для високояюсних виробiв iз деревини.
Зростаючi потреби тдприемств, що переробляють деревину у страте-гiчнiй сировинi стали важливою передумовою розроблення нових методiв оцiнки якостi деревини з метою ïï ефективного використання. Дискуси про зростання потреби у деревиннш сировиш та суспiльну вiдповiдальнiсть за збереження природного бiорiзноманiття продовжуються до цього часу, оскшьки деревина та деревинно-композицшш матерiали е важливим джерелом для отримання готових виробiв та енерги - з одного боку, а з шшого - хи-жацьке ставлення до лiсових ресурЫв неминуче призведе до занепаду про-мисловостi, пов,язаноï з переробкою деревини i порушення екологiчноï рiв-новаги у навколишньому середовищi, що спричинить природш катаклiзми.
Важливою проблемою для тдприемств, що переробляють деревину, е визначення параметрiв ïï якостi та якосп продукци з неï. Зокрема: для целюлоз-но-паперовоï промисловостi особливе значення мае варiацiя властивостей деревини та деревних волокон; а для деревообробноï та меблевоï промисловосп -вимоги до якостi деревини, що базуються на сортуваннi круглих лiсоматерiалiв i пилопродукци та вимоги стабшьносп форми i розмiрiв готових виробiв.
Оцiнка якостi деревини круглих лiсоматерiалiв для виготовлення пилопродукци охоплюе такi основнi характеристики:
• шдльтсть деревини - висока шдльтсть загалом означае високу мщтсть та пружтсть;
• однорвдтсть р1чних кшець - важлива ознака декоративно! та привабливо1 текстури;
• ширина р1чних кшець - перехщ вщ ранньо1 до тзньо1 деревини та 1х ввдсот-ковий вм1ст ио-р1зному впливають на щшьтсть i текстуру деревини та тех-нолопчний процес ïï оброблення;
• частка безсучковоï деревини - прямоволокниста деревина характеризуеться максимальною мщтстю, а нахил волокон та ïх завилькувате розмiщення е небажаними;
• юветльна та реактивна деревина - ïх вмiст повинен мiнiмiзуватись;
• вмют екстрактних речовин - визначае стшюсть та колiр деревини.
Ощнка якосп деревини для виготовлення паперу охоплюе таю основ-нi параметри:
• щдльтсть деревини - визначае кшьшсть волокон на одиницю об'ему;
• х1м1чний склад - важливий для виготовлення целюлози;
• довжина та товщина волокон - параметри, як визначають мехатчну та дру-карську яшсть паперу.
Високоякiсна деревина характеризуеться незначною мтливютю властивостей та можливютю прогнозування фiзико-механiчних властивостей i стшкосп проти бiологiчних шюдниюв.
Ланцюговий процес постачання деревини передбачае таю два етапи: люогосподарський та технолопчний, основним завданням яких е забезпечен-ня максимально повною i достовiрною iнформацiею про деревину як матерь ал, тобто iнформацiею про характеристику деревноï породи, об'ем, розмiри, якiснi параметри тощо. Вимоги споживача до якосп деревини та ïï вартосл е базовою передумовою для забезпечення ланцюгового процесу постачання де-ревинноï сировини. Розчленування такого ланцюгового процесу на меншi частини веде до ускладнення шформацтного потоку.
Дедалi бшьше споживачiв деревини висувають вимоги до розмiрно-як1сно1" характеристики деревинно1' сировини при постачанш. Типовi парти деревини свщчать, що бiльшiсть ïï можна вщнести до рiзних категорш якостi, а бажаним яюсним властивостям вщповщае тiльки ïï невелика частина. Вартють цiеï частини висока, але в загальному вартiсному еквiвалентi е незадовшьною. Таке спiввiдношення е передумовою для розвитку нових видiв продукци з менш якiсноï деревини, в основi яких лежить целюлоза та пашр. Встановлено, що якiсть друкарського паперу у технолопчному процесi залежить вiд варiацiï властивостей стружки деревини на 30...40 % [Lundqvist 1999], що спонукае до зваженого шдбору деревинноï сировини для виготовлення паперу.
Одним iз шляхiв вирiшення проблеми постачання деревинноï сировини з бажаними розмiрно-якiсними характеристиками споживачу е ïï сортування за заданними основними ознаками, проте такий шлях е дороговартюним i не зав-жди ефективним. Тому для шдвищення ефективносп постачання деревинноï сировини з бажаними розмiрно-якiсними характеристиками доцiльно розвива-ти прогресивне плантацшне лiсове господарство. Оскiльки стан i тенденщя розвитку плантацiйного люового господарства свiдчать, що плантацiï мають тшьки 5 % вiд вкршш лiсовоï илощi земноï поверхнi, але забезпечують 35 % загальноï потреби в круглих лiсоматерiалах [Carle et al. 2002]. У свгговому масштабi у складi насадження домiнантними породами е сосна та евкалшт.
Деревина е ашзотропним матерiалом з широким спектром фiзичних та механiчних властивостей. Порiвняно iз iншими матерiалами, деревина як ма-терiал мае iерархiчну будову - нано-, мiкро- та макроструктуру. Тому, метод визначення якосп деревини повинен базуватись на характеристиках люових насаджень, дерев, стовбурiв, сорту лiсоматерiалу, волокна, кута нахилу мж-рофiбрил, хiмiчного складу мiкрофiбрил тощо. Важливе значення для визначення якосп деревини мае знання варiацiï рiзних властивостей та зв'язок мiж рiзними характеристиками. Для отримання готовоï продукцiï вiдповiдноï якостi у процес ïï виготовлення необхiдний контроль на кожнш стадiï техно-логiчного процесу, а вщсутшсть ефективних методiв визначення якосп деревини е основною причиною отримання низькоякiсноï продукци.
Шдприемства - споживачi деревини, часто незадоволеш високою мш-ливiстю властивостей деревини як матерiалу. Однiею з важливих передумов задоволення потреб споживачiв у яюснш деревинi е використання неруйну-ючих методiв для оцiнки ïï якосп. Основною метою цих методiв е визначення фiзико-механiчних властивостей деревини без руйнування ïï цiлiсноï структу-ри для подальшого рацiонального використання за призначенням.
Показником рацюнального використання круглих лiсоматерiалiв е за-безпечення виготовлення необхiдноï кiлькостi високоякiсних виробiв з деревини з мшмальними витратами сировини. Такий пiдхiд вимагае розвитку су-часних методiв оцшки якостi деревини, якi на первинному етат ïï перероб-лення забезпечили б позитивний кiнцевий результат. Тому, на сьогодш сформовано два основних експериментальних методи оцiнки якосп деревини:
• ощнка якосп стовбур1в ростучих дерев, використовуючи сучасн1 методи ль совоï iнвентаризацiï;
• оцшка якост окремо взятого круглого лiсоматерiалу, беручи до уваги його зовтшт та внутрiшнi характеристики.
Одним з прогресивних напрям1в в оцшюванш якост деревини е впро-вадження системи СшьвЮкан (SilviScan®) Робертом Евансом в Австрали. СшьвЮкан е автоматичною установкою для визначення властивостей деревини та деревних волокон, що забезпечуе необхщною шформащею техноло-пчт процеси виготовлення вироб1в з деревини [Evans 1994, 1999]. Така нова система дае змогу швидко визначити яюсть деревини ростучих дерев у люо-вих насадження та плантащях (рис. 2).
Рис. 3. Визначення властивостей деревини [CSIRO/internet]
Використання Х-промешв у систем! СшьвЮкан (SilviScan®) дае змогу визначити таю показники, як д1аметр волокна, товщина кштинно! стшки, кут нахилу волокон, ширина р1чних шар1в, частка тзньо! деревини, кут мж-роф1брил, напрям волокон тощо. Такий техшчний потенщал дае змогу закар-товувати л1сов1 масиви з вщповщною базою даних про наявш насадження, що дасть змогу в майбутньому вибирати деревину, яка задовольнятиме вимо-ги конкретного споживача. Нещодавно було презентовано третю генерацда СшьвЮкан у Швецп. Найбшьш усшшш шдприемства защкавлеш в отриман-m максимального виходу високояюсно! деревини, що пов'язано 1з виробниц-твом кшцевого високояюсного виробу.
Обговорення скануючих технологш
Анашз технологш сканування колод [Mueller, Teischinger 2001, Маевський 2004] засв1дчив придатшсть обладнання для зовшшнього сканування до оцшювання розм1р1в i форми колоди та неповну вщповщшсть обладнання внутршнього сканування вимогам, як ставляться до нього. Для обладнання внутршнього сканування - частково виршено техшко-технолопч-нi вимоги, зокрема, т що стосуються розмiрiв реконструкцiйного кола i отво-ру (колода повинна повшстю мiститися в реконструкцшному колi та отворi), черговост циклу сканування (технологiчний процес повинен функцюнувати три змiни п'ять дшв на тиждень) та швидкостi сканування (за швидкост сканування колоди до 1,2 м/хв., колода довжиною 3 м буде скануватися близько
150 с, а ii розпилювання 30... 110 с залежно вiд виду колодопиляльного об-ладнання, швидкостi та схеми розпилювання i дiаметра колоди.). Проте жод-на з вiдомих технологiй внутршнього сканування не е адаптованою до якост зображень, особливо для колод з корою, а також немае ефективних комп'ютерних програм, яю б дали змогу яюсно iдентифiкувати i математично точно описати вади деревини. Зокрема, складно яюсно щентифжувати таю вади як трщини (оскiльки шсля розпилювання колоди трiщина на пилопро-дукцii може змiнити розмiри), серцевину, рiчнi кiльця (зумовлено великою частотою рiчних кiлець, "х малими розмiрами та ексцентричнiстю, i наявними сучками, що зменшують юльюсть рiчних юлець на зображеннi). Навiть щен-тифшащя тако" важливо" сортовизначально" вади як сучки, незважаючи на бшьшу густину "х деревини, не е повшстю вирiшеним завданням. А експлу-атацiйно-економiчнi (промислове оточення, вартiсть сканера i його обслуго-вування) та еколопчш (радiацiйна безпека людини, навколишнього середови-ща i скановано" деревини) вимоги потребують додаткових дослщжень i по-дальшого розв'язання.
Незважаючи на певш труднощi в експлуатацii сучасно" скануючо" тех-нiки та ii високу вартють провiднi пiдприемства ii використовують. Так нап-риклад, на люопиляльному заводi Шаффер (Schaffer) в Австрп встановлено промисловий комп'ютерний томограф, який дае змогу сканувати кругш люо-матерiали дiаметром до 70 см i довжиною до 5 м. Швидюсть сканування ста-новить 1,2 м/хв. Такий технолопчний процес дае змогу на пiдставi отрима-них даних прогнозувати внутршню будову колоди у тривимiрнiй моделi, зокрема визначити варiацiю щiльностi, спiввiдношення ядрово" та заболонно" деревини, а також виявити сучки, трщини, живичники, розмщення рiчних кiлець та серцевини ще перед розпилюванням [Rinnhofer 2001, 2002].
Рис. 3. Х-променева томограф1я деревини
(by courtesy of A. Rinnhofer, Joanneum Research, Graz)
Оптимiзацiя технолоНчного процесу
Отримана iнформацiя про внутрiшню структуру колоди разом iз ii об'емним зображенням е базовою для оптимiзацii технолопчного процесу та отримання високоякiсноi пилопродукцп. А оцiнка характеристик круглих ль соматерiалiв дасть змогу встановити "х збалансовану вартiсть. Використання всiх згаданих параметрiв оцiнки якостi деревини дае змогу оптимiзувати розпилювання кожно" окремо" колоди, а також вщповщно до якiсних характеристик виготовляти вироби з деревини задано" якосп (рис. 5).
0птим1зац1я плану розпилювання круглих л1соматер1ашв
Рис. 4. Оптимiзацiя технологiчного процесу л^опиляння
Результати впровадження нових методiв onraMi3a^i' технологiчного процесу лiсопиляння в Австри засвiдчують, що вихiд високояюсно! пилопро-дукци зрiс на 18 %.
Висновки. Забезпечення рацiонального використання деревини полягае у:
• врахувант у 6аз1 даних лшових насаджень характеристик деревини з иод1б-ними властивостями для цшеспрямованого використання;
• вивчент i врахувант м1нливостей деревини (сучшв, напряму волокон, зм1ни кольорових вщгшюв тощо) у кiнцевiй продукцн;
• оmимiзацii технологiчних процесш перероблення деревини для отримання про-дукци з визначеними властивостями та врахуванням ii подальшого використання.
Лiтература
1. Barnett, J. R., Jeronimidis, G. (2003). Wood Quality and its Biological Basis. Blackwell Publishing, Oxford.
2. Carle J., Vuorinen P., Del Lungo A. (2002). Status and trends in global forest plantation development. Forest Products Journal 52 (7/8): 12-23.
3. Evans R. (1994). Rapid measurement of the transverse dimensions of tracheids in radial wood sections from Pinus radiata. Holzforschung 48 (2): 168.
4. Evans R. (1999). A variance approach to the x-ray diffractometric estimation of microfibril angle in wood. Appita J 52 (4): 283.
5. Kellomäki S. (2002). Novel methods for tailoring wood properties. Wood Wisdom closing seminar. Dipoli, Finnland.
6. Lundqvist S-O. (1999). Future user requirements - the demand side: Wood raw material for pulp and paper. In: Wood properties for industrial use. 2nd workshop, COST Action E 10, p 36-40. Tapada Nacional de Mafra, Portugal.
7. Matthek C., Kubler H. (1995). Wood - the internal optimization of tress. Springer Verlag, Berlin.
8. Müller U., Teischinger A. (2001). Scanning-Technologien in der Holzwirtschaft - State of the Art-Report. Holzforschung und Holzverwertung 53 (3): 53-56.
9. Rinnhofer, A. (2001). Mit Computer Tomographie zum Sägewerk der Zukunft. Österreichische Forsttagung 2001, 4. - 7. Juli 2001, Universität für Bodenkultur Wien.
10. Rinnhofer, A. (2002). Forschungsarbeiten im Bereich Holz des Institutes für digitale Bildverarbeitung. Informationstag "Holzforschung Österreich", 27.09.2002, Murau. Kompetenznetzwerk Holz, FFF - Forschungsförderungs-fonds für die gewerbliche Wirtschaft Wien.
11. Маевський В.О. Анашз способiв ощнювання розмiрно-якiсноi характеристики колод// Наук. вюник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. - Льшв: УкрДЛТУ. - 2004, вип. 14.1. - С. 72-77.
