Пять способов модифицирования древесины

Существует и другой способ прессования сухой древесины, в соответствии с которым заготовку предварительно прогревают во влажном воздухе при температуре около 100°С. Затем ее уплотняют до заданной степени уплотнения. После этого заготовку в прессе вновь нагревают и после выдержки при температуре 120–140°С медленно охлаждают в прессе до комнатной температуры.

Пропаренная древесина имеет повышенную влажность и, следовательно, меньшую жесткость, что позволяет проводить прессование при низком давлении. Перед прессованием заготовки прогревают в герметичных камерах в насыщенном паре при давлении, чуть превышающем атмосферное. Продолжительность нагревания зависит от толщины заготовки и теплофизических свойств древесины. Затем пропаренные заготовки прессуют до требуемой степени уплотнения. Для достижения заданной влажности сжатые в пресс-формах заготовки выдерживают в сушильной камере. После сушки заготовки плавно охлаждают в пресс-формах до комнатной температуры.

Прессовать можно и холодную древесину, если ее влажность выше 12–14%. Холодная древесина имеет более высокую жесткость, чем прогретая, и для ее прессования нужно высокое давление в прессе – до 60–70 МПа. После уплотнения заготовки сушат при высокой температуре в прессе или в специальной камере. Сушку прекращают после достижения древесиной заданной конечной влажности, соответствующей условиям эксплуатации изделия. На завершающей стадии модифицирования высушенные заготовки медленно охлаждают до комнатной температуры. В результате прессования плотность древесины повышается в 1,5–2 раза (и даже более) и улучшаются ее механические свойства. Наиболее интересно получать прессованную древесину, используя мягкие лиственные и, в меньшей степени, хвойные породы. В отдельных случаях целесообразнее прессование древесины твердых лиственных пород. В зависимости от плотности древесины и режима прессования уплотнение заготовок доходит до 50%.

Плотность модифицированной древесины составляет 800–1350 кг/м3. По сравнению с натуральной, прессованная древесина на 20–50% прочнее и тверже, а ее ударная вязкость больше 5–10%. Благодаря высоким антифрикционным свойствам ее используют для изготовления подшипников скольжения. Технология прессования применяется и для изготовления мебельных деталей и тисненных декоративных элементов. Из прессованной древесины березы, ольхи и осины изготавливают паркет, твердость и износостойкость которого не уступает паркету из дуба. Однако прессованная древесины сильно разбухает при увлажнении, что серьезно ограничивает область ее применения.

Улучшить эксплуатационные характеристики модифицированной древесины можно, пропитав заготовки перед прессованием минеральным маслом. Пропитку проводят в масле при температуре 110–120°C, а затем выдерживают в нем с последующим постепенным охлаждением заготовок до комнатной температуры. Перед прессованием древесину вновь нагревают до температуры 140–160°C, но уже в конвективной камере. Вместо минерального масла для пропитки древесины используют полимерные смолы с содержанием сухого остатка не менее 50%. Пропитку заготовок проводят по способу вакуум–давление при температуре 60–70°C. Глубина вакуума должна быть не менее 0,06 МПа, а давление – 0,8–1,2 МПа. Сушат заготовки в конвективных камерах при температуре 70–80°C. Уплотнение пропитанных и нагретых до температуры 95–100°C заготовок проводят под давлением 15–25 МПа. Термообработку после прессования осуществляют при температуре 155–165°C.

Химико-механическая модификация

При химико-механической модификации древесина перед прессованием подвергается пластификации, в ходе которой ее обрабатывают аммиаком, карбамидом или иным, схожим по характеру воздействия веществом. В результате химической обработки свойства древесных клеточных стенок изменяются, и древесина становится пластичной, что облегчает ее дальнейшее прессование. Пластифицированная аммиаком при химико-механической модификации древесина называется лигнамон. Для изготовления лигнамона используют как сырые, так и сухие заготовки. Предварительно их обрабатывают жидким или газообразным аммиаком в автоклавах под вакуумом при температуре не более 100°С. После этого заготовки выдерживают при той же температуре до полного удаления запаха аммиака. Пластифицированную древесину уплотняют при температуре 170–190°С и давлении 6–8 МПа. Затем ее медленно охлаждают до комнатной температуры.

Если в качестве пластификатора используется раствор карбамида, то древесину, независимо от ее исходной влажности, пропитывают последовательно сначала в горячей ванне при температуре около 100°С, а затем в холодной ванне при комнатной температуре. Пропитанные заготовки высушивают при температуре 90–100°C до влажности 15–20%, а затем уплотняют в пресс-формах под давлением 2 МПа. После этого их сушат до влажности 6–8% при температуре 100–110°C. Уплотнение древесины достигает 55%. Для уменьшения разбухания модифицированной древесины при ее контакте с водой термообработку проводят несколько часов при температуре 160–170°C. Модифицированная карбамидом древесина называется дестам. Древесину, модифицированную химико-механическим способом, используют для изготовления напольных покрытий, мебели, элементов интерьера и деталей музыкальных инструментов.

Термохимическое модифицирование

Термохимическое модифицирование древесины включает пропитку смолами, мономерами или олигомерами, сушку и отверждение пропиточного состава. Для пропитки используют фенолформальдегидные, полиэфирные, карбамидные, фурановые, акриловые, кремнийорганические и другие смолы, мономеры и олигомеры, отверждающиеся под воздействием температуры. Важно, чтобы пропитывающий состав обладал достаточной жизнеспособностью и имел невысокую вязкость. Пропитывают заготовки по способу вакуум–давление или вакуум–давление–вакуум при комнатной или более высокой температуре, при которой не снижается жизнеспособность пропиточного состава. Глубина вакуума должна быть не менее 0,06 МПа, а давление – на уровне 0,8–1,2 МПа. Количество поглощенного пропиточного состава должно составлять 30–80% от массы древесины до пропитки. Сушку пропитанных заготовок осуществляют ступенчатым режимом с постепенным подъемом температуры до 120°C. Отверждение введенного в древесину пропиточного состава проводят в камере при температуре 150–170°C, после чего ее постепенно снижают до 40–50°C. Охлажденную древесину не менее 12 ч выдерживают при температуре 18–23°C.

Термохимическая модификация снижает гигроскопичность и водопоглощение древесины, в два-три раза уменьшает ее разбухание. После обработки древесина становится более прочной, твердой и жесткой, но при этом возможно снижение ударной вязкости на 10–30% и даже больше при использовании хрупких полимеров. При использовании специальных составов можно снизить горючесть древесины и повысить ее биостойкость. Модифицированная таким способом древесина применяется в строительстве и мебельном производстве. Радиационно-химическая модификация древесины – это разновидность термохимической обработки. Этот способ отличается тем, что полимеризация введенных в древесину веществ происходит под действием ионизирующих излучений. Древесину можно пропитывать стиролом, винилацетатом, метилметакрилатом и другими подходящими мономерами или их смесями. Модифицированная древесина применяется для изготовления паркета с повышенной износостойкостью.

Химическая модификация

При химической модификации древесину обрабатывают веществами, изменяющими ее тонкую структуру и химический состав. Наибольшее распространение получило использование уксусного ангидрида. Обработку жидким уксусным ангидридом осуществляют для ацетилирования сухой древесины, при котором он вступает во взаимодействие с целлюлозой и лигнином. В камере ацетилятора, в которой находятся заготовки, создают разряжение до глубины вакуума 0,0007–0,0015 МПа в течение 30–40 мин. После этого проводят обработку уксусным ангидридом в течение 0,5–1 ч при температуре 18–20°C. Термообработка длится 4–6 ч при температуре 120–125°C. Удаление побочных продуктов реакции и сушка заготовок происходят путем чередования разряжения и подачи в камеру воздуха, нагретого до температуры 100–105°C. Сушка заготовок длится 8–12 ч до полного удаления остатков несвязанного уксусного ангидрида и продуктов химической обработки.

Благодаря ацетилированию на 30–50% снижается влаго- и водопоглощение, усушка и разбухание обработанной древесины. Такую древесину используют для изготовления изделий, форма и размеры которых не должны существенно меняться в процессе эксплуатации. Ацетилированная древесина хорошо противостоит атмосферным воздействиям. В то же время после обработки древесины уксусным ангидридом ее механические свойства могут незначительно измениться. есмотря на то что потребительские свойства древесины после ее модификации улучшаются, промышленным производством модифицированной древесины занимаются немногие европейские предприятия. Основным фактором, ограничивающим выпуск такой продукции, является высокая себестоимость ее производства. Не так давно нидерландская компания Titan Wood начала выпуск ацетилированной древесины под торговыми марками Accoya и Tricoya из плантационной сосны по новой экономичной технологии. Современная производственная линия позволяет выпускать до 30 тыс. м3 ацетилированной древесины в год. Такая древесина предназначена для изготовления окон, дверей, наружной облицовки и пола для террас.

Норвежская компания Kebony разработала и запатентовала технологию химического модифицирования древесины с использованием фурфурилового спирта. Сырьем служит древесина сосны, ясеня и бука, которая после обработки темнеет и становится похожей на тик или приобретает цвет махагони. Годовая мощность предприятия по выпуску этой продукции составляет 10 тыс. м3. Модифицированная по этой технологии древесина приобретает высокую биологическую стойкость при сохранении естественной механической прочности. Ее используют для отделки фасадов зданий и в конструкциях различных надворных построек, при строительстве речных и морских причалов и пирсов.

Еще одна инновационная технология изготовления химически модифицированной древесины запатентована в Германии. Выпуск новой продукции организован на предприятии Muenchinger-Holz (Германия). В качестве сырья используется сосна. Процесс модификации – двухстадийный. Сначала древесину пропитывают специальным составом Belmadur методом вакуум–давление в автоклаве. После этого при температуре выше 100°C проводят термообработку, в ходе которой, по утверждению разработчиков, образуются и фиксируются поперечные связи между волокнами древесины, что улучшает ее механические характеристики. После такого модифицирования биологическая стойкость древесины сосны резко увеличивается, а усушка, разбухание, водопоглощение существенно снижаются. Модуль упругости и прочность на изгиб при этом практически не меняются, а прочность на сжатие и поверхностная твердость древесины заметно возрастают. Основное применение этой модифицированной древесины – строительство.