Термически модифицированная древесина: свойства, применение и современное состояние технологии






Проведен обстоятельный обзор традиционных и инновационных способов модификации древесины. На основе сравнения свойств, приобретает модифицированный материал, осуществлен анализ его применения, и сделан вывод в пользу тепловой модификации как промышленного экономически целесообразного способа.

Всесторонне рассмотрены технологические особенности промышленно известных методов термической модификации и свойства термически модифицированной древесины. Приведены данные по патентному защиты технологии термической модификации древесины и особое внимание уделяется конкурентоспособности инновационного продукта и на реальном внедрении его на рынок.

Вступление

Древесина является одним из наиболее распространенных строительных материалов начиная с первых попыток строительства человеком собственного жилья. Она является доступным, легким и простым в обработке материалом. В ранние времена использовались в основном круглые материалы малого диаметра, но со временем пиломатериалы в виде досок и брусьев вытеснили круглую древесину за счет своей практичности в большинстве случаев применения.

В течение веков в строительстве древесина использовалась для создания фундаментов, наружных и внутренних стен, напольных покрытий, несущих конструкции, производства окон, дверей, мебели и других изделий. Однако в последние десятилетия произошли значительные изменения, вследствие которых древесина теряет свою долю на рынке строительных материалов не выдерживая давления альтернативных НЕ древесных и древесно-композиционных материалов.

Так, в частности:
• деревянные фундаменты вытеснены камнем и бетоном;
• для наружных стен используются в основном кирпич, полимер-песчаные блоки, обычный и легкий бетон;
• для внутренних стен применяются в большинстве кирпич, легкий бетон, гипсовые плиты и другие материалы;
• в каркасном строительстве деревянные несущие элементы вытесняются легкими стальными балками;
• основой напольных покрытий в большинстве случаев является бетон;
• внешние элементы выполняются в основном из древесины-полимерных композиций;
• деревянные напольные покрытия вытесняются ламинатами и другими материалами.

Но в целом ситуацию не стоит драматизировать. Поскольку древесина остается основным материалом в изготовлении крыш а также растет спрос на деревянные односемейные дома разных типов и мебельные изделия из массивной древесины.

Традиционные методы защиты древесины

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 размеров (формы). Решающим фактором в пригодности изделий из древесины влияние грибковой инфекции вследствие естественного содержания в ней влаги. Поэтому риск грибкового поражения, который особенно проявляется под действием погодных факторов (осадки) вместе с прямым контактом с грунтом, а также влажности постоянного или переменного характера, должен быть обязательно учтено. Из практики известно такие традиционные методы защиты древесины:
• камерное сушки до влажности материала ниже 20%, при которой создаются неблагоприятные для развития грибка условия;
• конструктивное решение, которое заключается в использовании влажной древесины в среде с равновесной влажностью менее 20% и защите ее от увлажнения;
• химическая защита путем пропитки или поверхностной обработки древесины органическим или неорганическими солями, токсическое действие которых прекращает развитие грибка.

С другой стороны естественная гигроскопичность древесины, которая проявляется в ее набухании и усыхания в среде с переменной влажностью, является причиной возникновения напряжений и в результате поверхностных трещин, которые могут привести к разрушению защитного лакокрасочного покрытия. Это в свою очередь является условием перерасхода древесины по сравнению с синтетическими материалами. Итак, традиционные методы защиты древесины не влияют на усыхание и набухание древесины, а использование химической защиты в некоторых случаях может сопровождаться вымыванием защитных веществ, понижает эффективность защиты в целом и оказывает негативное влияние на окружающую среду.

В последние годы ведутся активные дискуссии относительно использования химической защиты древесины. В этом свете одновременно меняются и требования к защите древесины, так частности, наряду с ранее известными требованиями к эффективности защитных композиций, простоты и доступности способов их нанесения на необходимую глубину материала, сегодня выдвигаются требования к экологичности защитных веществ.

Инновационные методы защиты древесины

Эти методы имеют целью решение двух проблем - уменьшение риска развития грибка и понижение гигроскопичности древесины.

1. Тепловая обработка древесины заключается в нагревании древесины до температуры 150 - 270Со по всему сечению, при котором происходит изменение химической структуры стенок клеток, но без изменения их химического состава. В результате в гемицеллюлозы уменьшается количество гидроксильных групп, меньше проявляется гигроскопичность древесины и растет биостойкость. Такая обработка может проводиться различными способами и характеризуется общим снижением механических показателей, в определенной мере может ограничивать область применения этой древесины как конструкционного материала.

2. Пропитка древесины горячим гидрофобными растительными маслами методом избыточное давление-вакуум. Этот способ принципиально не отличается от химической защиты по технологии и оборудовании. Масло в количестве 80 - 180 кг/м3 древесины размещается между микрофибрилл в стенках клеток и тем самым снижает гигроскопичность древесины.

3. Просачивания меламиновых смол, которые подобно предыдущему случае откладываются в стенках клеток, блокируют химическое взаимодействие между древесиной и водой, при этом никакой химической реакции между смолой и древесиной не происходит.

4. Ацетилирования - 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 (углерода, водорода, кислорода и азота). Поэтому в процессе обработки такого материала его остатки (отходы) могут сжигаться без ущерба для окружающей среды.

Свойства материала

Для всесторонней оценки альтернативных экологически чистых методов защиты древесины необходимо знать основные свойства модифицированной древесины, которые имеют решающее влияние на возможное ее применение.

Характеристика инновационных методов защиты древесины
Показатель Метод защиты
 Термический   Просочение   Ацетилирование
 маслами  меламиновими смолами 
    Изменение основных свойств древесины
Биостойкость   +   +   ++   ++
 Стойкость к закрашиванию  0    -  (+)  (+)
 Стабильность размеров (формостойкость)  ++   ++   +   ++
 Твёрдость  0   0   ++   0
 Прочность  -   0  0  0
 Склеивание  0  -  0  0
 Адгезия лакокрасочных пленок  0  0  0  0
     Область применения (+) и недостатки
 Паркет    твёрдость твёрдость  +  твёрдость
 Садовая мебель   +  склеивание  +  +
 Окна, внешние двери  + склеивание  +  +
 Фасады    +  тёмный цвет  +  +
 Балконы    прочность  тёмный цвет  +  +
 Несущие элементы прочность  +  стоимость стоимость
 Ограждения  +  + стоимость  стоимость
 Стоимость обработки, €/м3    150-250   130  250  175-300

+ + Значительный рост
+ Рост
(+) Кратковременную действие
0 без изменений
- Уменьшение

Приведена характеристика инновационных методов защиты древесины указывает на снижение прочности материала при термическом способе обработки и возможной недостаточной взаимосвязи, особенно при контакте с грунтом. С другой стороны решающее влияние на промышленное внедрение того или иного способа имеет стоимость оброки, которая в отдельных случаях ограничивает использование двух последних способов защиты. Исходя из этого сосредоточим все внимание на исключительно на промышленно известных альтернативных способах модификации древесины.

Промышленные способы термической модификации древесины

Использование огня с целью увеличения долговечности древесины известно человечеству уже сотни лет. Так еще во времена викингов элементы оград 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 гг стали основой для современных исследований в 90-х годов в Финляндии, Франции, Германии и Нидерландах.

Основные параметры промышленных процессов термической модификации древесины отличаются, но общим их характеристикой является то осуществляемых они при ограниченном содержании кислорода в закрытых системах. Известные на сегодня способы можно разделить на 4 группы:

1. Одноступенчатая обработка водяным паром. В этом случае используются установки подобные сушильных камер, в которые после загрузки материала подается пар, при этом содержание кислорода в воздухе уменьшается до 3,5%, что при температурах 150-200 Со замедляет оксидации (горения) древесины. При обработке предварительно высушенной древесины общая продолжительность процесса составляет около трех дней. Также возможна обработка и сырого материала, но в этом случае длительность процесса будет больше с учетом времени собственно сушки.

2. Многоступенчатая обработка "Влага-Тепло-Давление". Влажная древесина течение 4-5 часов поддается обработке насыщенным паром или водой (процесс варки) при температурах 160-190 Со, или 150-200 Со. 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 170-190 Со на 14-16 часов.

3. Обработка в горячем масле. Высушенная древесина погружается в горячую растительное масло и медленно нагревается до температуры 180-220 Со. Длительность этой обработки составляет 2-4 часа. При этом дополнительно происходит поглощение масла древесиной, которое зависит от размеров материала (поверхности) и может регулироваться. Длительность процесса около одного дня.

4. Обработка в среде инертных газов. Этот процесс известен как "ретификация. В этом случае вместо водяного пара или масла древесину обрабатывают в среде азота с содержанием кислорода до 2% при повышенном давлении.

Отличительной чертой всех вышеназванных способов является конечное постепенное охлаждение и увлажнение материала с эксплуатационной влажности.

Характеристика термически модифицированной древесины

Тепловая обработка древесины сопровождается разрушением и испарением некоторых составляющих компонентов стенок клеток и является причиной уменьшения массы древесины в целом. При этом в паровоздушной среде уменьшение массы является более выраженным чем при ретификации.

Стабильность размеров в зависимости от способа термической обработки, параметров самого процесса и породы древесины является на 10-40% больше чем не модифицированной древесины. Это самое наблюдается при усыхания в тангентальный направлении и свидетельствует о существенном снижении влагопоглощение древесины.

Одним из основных показателей является механическая прочность древесины, которая в значительной степени зависит от количества и характера трещин, возникающих в процессе самой термической обработки. Выявлено, что древесина с высокой плотностью, особенно твердых пород, является склонной к образованию трещин, которые существенно снижают показатели прочности модифицированной древесины. С другой стороны негативное влияние температурного фактора на прочность древесины проявляется и без возникновения трещин, а так же более весомым для лиственных пород чем для булавочных.

Немаловажным является рост хрупкости древесины, что отражается на механической стороне обработки модифицированного материала - растут требования к режущего инструмента, 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 (тангентальный или радиальный), этот показатель меньше в среднем на 30% по сравнению с не модифицированной древесиной, и особенно важно 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 темношоколадного, до темно коричневого. Это изменение природного цвета в подавляющем большинстве случаев свойственна для всего сечения древесины, а сам цвет является неустойчивым к воздействию ультрафиолетового излучения.

Относительно биостойкости, то данные разнятся по способам термообработки, породам древесины, методах их испытания и свидетельствуют о недостаточном исследование этого аспекта проблемы. Испытания термически модифицированной древесины на биостойкость в условиях прямого контакта с грунтом более однозначными и указывают на довольно низкое его значение.

При испытании тепловых свойств столярных плит, изготовленных из модифицированного древесины, выявлено, что показатель их теплопроводности есть на 17-25% меньше и наблюдается зависимость теплопроводности древесины от ее плотности. Так плотность модифицированной древесины сосны есть в среднем на 8,7-10,4% меньше чем не модифицированной. Можно сделать вывод о потенциале энергосбережения при использовании термически модифицированной древесины, например, в производстве окон, где теплопотери могут быть уменьшены на 5% при площади рамы относительно общей площади оконного блока равной 35%.

Известно, что свойства модифицированной древесины в определенной мере можно изменять в зависимости от температуры и продолжительности обработки, давления и вида среды, а также от породы и начальной влажности древесины. Но при этом необходимо учитывать, что при улучшении одних свойств может вызвать ухудшение других. Так, в частности, значительное повышение температуры улучшает взаимосвязи материала сопровождается разрушением прежде гемицеллюлозы, и приводит к росте хрупкости и уменьшение прочности в целом. При одновременном повышении температуры и продолжительности обработки увеличивается твердость и стабильность размеров, но одновременно снижаются механические показатели прочности древесины, ограничивающий внедрение материала данного способа обработки как конструкционного материала. С другой стороны, длительная термическая обработка при слишком низких температурах не позволяет вообще модифицировать древесину, а многоступенчатая модификация по сравнению с одноступенчатой может иметь существенно меньший эффект на формирование заданных свойств материала. Учитывая вышесказанное, можно подытожить, что целенаправленная термическая модификация древесины является прежде компромиссом между основными и второстепенными свойствами древесины, которые играют решающую роль в производстве конечного продукта.

Применение термомодификованои древесины

Пути применения термически модифицированной древесины зависят от специфических свойств, которых она приобретает после модификации. Каждый производитель самостоятельно определяет для себя те сегменты рынка, которые могут быть заполнены его продуктом. Например в Европе в высокоценовом сегменте рынка термически модифицированная древесина местного происхождения является альтернативой тропическим и североамериканским породам. А в низкоценовых говорится о частичное вытеснение химически модифицированной и незащищенной древесины в целом.

Анализируя современный европейский рынок продукции, изготовленной из темомодификованои древесины, стоит отметить его региональные особенности. На данный момент известно о таком применения этого материала: фасады домов, производство окон, террас, заборов, теплоизоляция стен, внутренние интерьеры, садовая мебель, мебель внутреннего назначения, емкости для цветов, элементы саун (стены, скамейки, двери), напольные покрытия, укрепление водных путей. Таким образом предложение изделий из термически модифицированной древесины не выходит за пределы традиционного применения массивной древесины.

Права и патенты

Одной из наиболее известных торговых марок термически модифицированной древесины является ThermoWood ®, которая относится к основанной в декабре 2000 года одноименной "Thermowood Association. Данная марка защищена многочисленными патентами, а основные производства расположены в Скандинавии, в основном в Финляндии. Производителями являются Finnforest, Stora Enso Timber, Stellac и др.

Другой известной маркой является Plato ® Holz, которая принадлежит голландской фирме New Hout.

Серия продукции марки "Mafi Vulcano" из термически модифицированной древесины (исключительно напольные элементы внутреннего использования) фирмы Mafi Holzverarbeitung GmbH в отличие от предыдущих марок, согласно своей рыночной стратегии, не имеет никакого патентного или лицензионной защиты.

Также известна марка Menz-Holz, принадлежащей одноименной фирме и защищена патентами на термическую модификацию древесины в горячем масле. Ассортимент продукции данной фирмы ограничивается в основном изделиями садового назначения.

Владельцем патента на производство ретификованои древесины "Bois retifie" является NOW SA (New Option Wood Limited Company), а основными производителями продукции данной марки являются HTT SOUSTONS, RETITECH, RETIMAC i RETIBOIS.

Внедрение на рынок

Современная промышленная термообработка древесины базируется на следующих основных принципах:

1. Преобразование доступных дешевых пород древесины в качественно новый материал, расширяет их область применения и повышает ценовую конкурентоспособность.

2. Инновационный экологически чистый способ защиты древесины как альтернатива химическому.

3. Инновация в производстве конечного продукта, которая проявляется в новых дизайнерских и инженерных решениях исходя из специфических свойств материала.

Т.е. потенциальным покупателем является прежде всего тот, кто мотивируется природоохранным критерием.

Для сравнения цен продукции из термически модифицированной древесины с альтернативными изделиями необходимо учесть стоимость самого производства, которая зависит от стоимости оборудования, сырья и затрат на проведение процесса.

Стоимость оборудования напрямую зависит от метода модификации, емкости оборудования и стоимости лицензий. Поэтому для сравнения целесообразно ввести удельный стоимость оборудования - при обработке 500 м3 древесины в год

Способ модификации  Цена оборудования, тыс. € Продуктивность оборудования, тыс. м3 /год Удельная стоимость, тыс. €/(500 м3 год)
Plato®   10000...15000  75  67...100
Ретификация  460...690  3...9  38,5...77
В гарячем масле 450  8,5  26,5
В перегретом пару   1...50 -

Вирішальний вплив на цінову політику має порода, якість і розміри сировини. В Скандинавії найбільш поширеними є ялина, сосна і береза, а в центральній Європі сосна, ялина і тополя. Принципово іншим є ціноутворення на ринку термічно модифікованої деревини цінних порід (дуб, ясень, акація), які після обробки набувають зміненого забарвлення і більшої стабільності розмірів. Вартість теплової модифікації різними способами за різними даними знаходиться в межах 60...250€/м3.

Способ модификации Особенности процесса Стоимость отделки, €/м3
ThermoWood® - -
Plato®   - 100
В гарячем масле Ель; в зависимости от степени поглощения масла  60...90
В инертном газе Ретификация; в среде азота  150...160

Стоимость обработки является переменной также в пределах конкретного способа и зависит от:

1. Среды обработки. Известно, что обработка в перегретом паре значительно дешевле чем в масле или инертном газе.
2. Энергии. Статья энергозатрат зависит в первую очередь от вида и стоимости энергоносителей, продолжительности и уровня температуры обработки и возможности повторного использования полученного тепла.
3. Времени обработки. Продолжительность обработки в т.ч. охлаждения зависит от породы древесины, ее размеров, требуемых свойств, и является решающей в производительности оборудования.

В частности, финская технолгии ThermoWood ® осуществляется в три фазы:

1. Нагревание древесины до температуры около 100 Со и сушки в паровоздушной среде к влажности 0%. После чего температура повышается до 130 Со.
2. Тепловая обработка при температуре 185 ... 215 Со и стабилизация температуры в течение 2 ... 3:00 в зависимости от заданных свойств.
3. Охлаждение до температуры 80 ... 90 Со, увлажнение до конечной влажности 4 ... 7% и постепенное снижение температуры. Продолжительность около 5 ... 15 часов.

Общее энергопотребление всего на 25% больше чем при конвективном сушке, при этом 80% тепловой энергии уходит собственно на сушку.

В целом стоимость термообработки растет вместе с толщиной материала, а учитывая еще и стоимость самого оборудования, доступным способом является одноступенчатая модификация в среде перегретого пара. С другой стороны сложное оборудование для многоступенчатого процесса Plato ® является самым дорогим. На полезный выход, по данным производителей, основное влияние оказывает качество сырья, а на втором плане опыт в проведении самого процесса.

Стоимость механической обработки модифицированной древесины существенно не отличается от обычного массива, за исключением некоторых моментов: вследствие увеличения хрупкости при шлифовании растет количество мелкодисперсной пыли, требует использования эффективных аспирационных систем; необходимо уменьшить давление при склеивании, а соединение деталей гвоздями необходимо заменить шурупы ; нужно учитывать влияние пониженного водопоглощение при затвердевании водорастворимых клеев; положительным является отсутствие смолы в модифицированной древесине.

Относительно ценовой политики на полуфабрикат, то проследить ее довольно трудно, однако можно отметить, что цена термически модифицированной древесины находится между химически пропитанной древесиной и древесиной тропических пород, для которых характерна относительно высокая естественная биостойкость. Исходя из стоимости сырья около 200 € / м3 и стоимости обработки, например, в горячем масле 265-295 € / м3, общая цена формируется на уровне 400-700 € / м3. Относительно стоимости конечного изделия, то вследствие разнообразия продукции вычислить среднюю цену проблематично.

Вывод

Проведенный обзор позволяет утверждать о реальные шансы продукции из термически модифицированной древесины.








Last Advertisement
Login
Log in:  
Password:  
 
You must register to get additional capabilities in the system, Registration is free

Термически модифицированная древесина: свойства, применение и современное состояние технологии - www.PromWood.com
Users OnLine: 
History forestry | Woodworking | Species of wood | Wood drying | Machinery and equipment | Finishing wood | Biofuel | Charcoal | Forest handbook | Охота