2018-01-21
308
Використання вогню з метою збільшення довговічності деревини відомо людству вже сотні років. Так ще в часи вікінгів елементи огорож оброблялись на відкритому вогні.
Наукові основи термічного захисту деревини закладено в 1930-х роках в Німеччині та в 1940-х в США. Подальші дослідження в Німеччині в період 1950-70 рр. стали підґрунтям для сучасних досліджень в 90-х рр. в Фінляндії, Франції, Німеччині та Нідерландах.
Основні параметри промислових процесів термічної модифікації деревини відрізняються, але спільною їх характеристикою є те що здійснюються вони при обмеженому вмісті кисню в закритих системах. Відомі на сьогодні способи можна розділити на 4 групи:
1. Одноступенева обробка водяною парою. В цьому випадку використовуються установки подібні до сушильних камер, в які після завантаження матеріалу подається пара, при цьому вміст кисню в повітрі зменшується до 3,5%, що при температурах 150-200?С сповільнює оксидацію (горіння) деревини. При обробці попередньо висушеної деревини загальна тривалість процесу становить близько трьох днів. Також можлива обробка і сирого матеріалу, але в цьому випадку тривалість процесу буде більшою з врахуванням часу власне сушіння.
2. Багатоступенева обробка „Волога-Тепло-Тиск”. Волога деревина протягом 4-5 годин піддається обробці насиченою парою чи водою (процес варіння) при температурах 160-190?С, або 150-200?С. Сам процес відбувається в герметичній ємності під тиском до 1,6МПа. Після цього деревина висушується в камері протягом 3-4 днів до кінцевої вологості близько 10%. Під час фази твердіння деревину ще раз нагрівають до температури 170-190?С на 14-16 годин.
3. Обробка в гарячій олії. Висушена деревина занурюється в гарячу рослинну олію і повільно нагрівається до температури 180-220?С. тривалість цієї обробки становить 2-4 години. При цьому додатково відбувається поглинання олії деревиною, яке залежить від розмірів матеріалу (поверхні) і може регулюватись. Загальна тривалість процесу близько одного дня.
4. Обробка в середовищі інертних газів. Цей процес відомий як „ретифікація”. В цьому випадку замість водяної пари чи олії деревину обробляють в середовищі азоту з вмістом кисню до 2% при підвищеному тиску.
Важливою рисою всіх вищеназваних способів є кінцеве поступове охолодження та зволоження матеріалу до експлуатаційної вологості.
Характеристика термічно модифікованої деревини
Теплова обробка деревини супроводжується руйнуванням і випаровуванням деяких складових компонентів стінок клітин і є причиною зменшення маси деревини в цілому. При цьому в пароповітряному середовищі зменшення маси є більш вираженим ніж при ретифікації.
Стабільність розмірів в залежності від способу термічної обробки, параметрів самого процесу і породи деревини є на 10-40% більшою ніж не модифікованої деревини. Це найбільше спостерігається при всиханні в тангентальному напрямі і свідчить про суттєве зниження вологопоглинання деревини.
Одним з основних показників є механічна міцність деревини, яка в значній мірі залежить від кількості і характеру тріщин, що можуть виникати в процесі самої термічної обробки. Виявлено, що деревина з високою густиною, особливо листяних порід, є схильною до утворення тріщин, які суттєво знижують показники міцності модифікованої деревини. З іншої сторони негативний вплив температурного фактора на міцність деревини проявляється і без виникнення тріщин, і так само є більш вагомим для листяних порід ніж для шпилькових.
Немаловажним є зростання крихкості деревини, що відображається на механічній стороні обробки модифікованого матеріалу – зростають вимоги до ріжучого інструменту, швидкості подачі матеріалу при струганні чи фрезеруванні та ін. внаслідок пониженої міцності суттєво зменшується опір витягуванню шурупів. Так, для деревини сосни, незалежно від способу теплової модифікації та напрямку (тангентальний чи радіальний), цей показник є меншим в середньому на 30% в порівнянні з не модифікованою деревиною, і є особливо важливим в розробці конструкцій та виробництві вікон.
Для всіх способів термічної модифікації спільною рисою є потемніння природних кольорів пропорційно до зростання температури, часу обробки і вологості самої деревини. Колір змінюється від світло коричневого, світло- чи темношоколадного, до темно коричневого. Ця зміна природного кольору в переважній більшості випадків властива для всього перетину деревини, а сам колір є нестійким до дії ультрафіолетового випромінювання.
Kuvassa oikealla kuusta, vasemmalla haapaa ja taustalla tervaleppдд.
Відносно біостійкості, то дані різняться по способах термообробки, породах деревини, методах їх випробування і свідчать про недостатнє дослідження цього аспекту проблеми. Випробування термічно модифікованої деревини на біостійкість в умовах прямого контакту з ґрунтом є більш однозначними і вказують на досить низьке її значення.
При випробуванні теплових властивостей столярних плит, виготовлених з модифікованої деревини, виявлено, що показник їх теплопровідності є на 17-25% меншим і спостерігається залежність теплопровідності деревини від її густини. Так густина модифікованої деревини сосни є в середньому на 8,7-10,4% меншою ніж не модифікованої. Можна зробити висновок про потенціал енергозбереження при використанні термічно модифікованої деревини, наприклад, у виробництві вікон, де тепловтрати можуть бути зменшені на 5% при площі рами відносно загальної площі віконного блоку рівній 35%.
Відомо, що властивості модифікованої деревини в певній мірі можна змінювати в залежності від температури і тривалості обробки, тиску і виду середовища, а також від породи і початкової вологості деревини. Але при цьому необхідно враховувати те, що при покращення одних властивостей може спричинити погіршення інших. Так, зокрема, значне підвищення температури покращує біостійкість матеріалу, супроводжується руйнуванням передусім геміцелюлози, і призводить до зростанні крихкості і зменшення міцності в цілому. При одночасному підвищенні температури і тривалості обробки збільшується твердість і стабільність розмірів, але одночасно знижуються механічні показники міцності деревини, що обмежує впровадження матеріалу даного способу обробки як конструкційного матеріалу. З іншої сторони, тривала термічна обробка при надто низьких температурах не дозволяє взагалі модифікувати деревину, а багатоступенева модифікація в порівнянні з одноступеневою може мати суттєво менший ефект на формування заданих властивостей матеріалу. Враховуючи вищесказане, можна підсумувати, що цілеспрямована термічна модифікація деревини є передусім компромісом між основними і другорядними властивостями деревини, які відіграють вирішальну роль у виробництві кінцевого продукту.
