Как закаляют… дерево
Термообработанная древесина: некоторые свойства и технологии изготовления

Что такое термообработка древесины?
Для получения высококачественных пиломатериалов дерево необходимо высушить.
До середины 1990-х годов самой передовой технологией являлась высокотемпературная сушка при температуре 100-150°C.
В 1997 году на одном из деревообрабатывающих заводов Финляндии в г. Миккели внедрили новую технологию, которая получила название термообработка. При данном технологическом процессе сушку ведут при температуре 150-230°C. Чем выше температура, тем больше потеря веса за счет испарения летучих соединений (иными словами, дерево становится легче). Чем больше потеря веса, тем меньше в древесине остается воды. В зависимости от условий термообработки и породы дерева остаточная влажность древесины на 40-60% меньше, чем у высушенной обычным способом.
Процесс термообработки обычно длится около 24 часов. Влажность древесины после термообработки уменьшается на 80-90%. Как следствие, существенно уменьшается ее теплоемкость: термообработанное дерево нагревается значительно слабее необработанного, приближаясь по этому показателю к абашу. Поверхность термообработанной древесины не пористая, а плотная, что значительно снижает способность дерева впитывать влагу из воздуха (на 30-90% в зависимости от температуры и времени сушки).
На практике это означает, что дерево способно отталкивать воду без дополнительной обработки специальными пропитками. При термической обработке разлагаются древесные сахара, являющиеся питательной средой для микроорганизмов, способствующих гниению дерева. Оно становится исключительно стойким к гниению, приближаясь по этому показателю к лиственнице, а, следовательно, и гигиеничным материалом.
Особо следует отметить, что хвойные породы дерева практически полностью теряют смолу, сохраняя замечательный аромат, усиливающийся при повышении влажности и температуры воздуха.
При термообработке древесина меняет цвет, приобретая красивый коричневый оттенок. Следует отметить, что изменение цвета — сквозное, что хорошо видно на срезе. Царапины на такой поверхности практически незаметны. Изменяя температуру термообработки можно добиваться желаемого оттенка древесины и/или степени устойчивости к условиям окружающей среды.
До последнего времени для изменения свойств древесины самым распространенным был все же метод химической обработки 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 мире активно развиваются различные технологии термообработки древесины, являющиеся единственной альтернативой химической обработки и приводящие при этом к существенному улучшению свойств древесины, что открывает новые области ее применения.

Термообработанная древесина широко применяется в Европе. Наиболее широко известны следующие технологии термообработки древесины.
1. Финская технология Thermowood. Разработчиками и производителями оборудования являются финские компании Lunawood Oy, Stellac Oy, Tekmaheat Oy, Valutec Oy, итальянская фирма Baschild, французская компания BCI-MBS (технология Ле Буа Пердюр). Их особенностью является то, что термомодификация древесины ведется в защитной атмосфере водяного пара при температурах 185-212°С. Основные мощности по производству Термодревесины представлены именно таким оборудованием.
2. Голландская технология Plato. Разработчиком и производителем оборудования является фирма PLATO-Wood (Providing Lasting Advanced Timber — Предлагаем Долговечную Прогрессивную Древесину на Смену). Ее особенностью является проведение термомодификации путем цикличного гидротермолиза (термического гидролиза) древесины при температурах 160-190°С.
3. Французская технология Retification, которую иногда называют технологией паростабилизации. Разработчиком технологии является Горный институт в г. Сент-Этьене, производителем оборудования — компания REI из этого же города. Сама термомодификация ведется при температуре 220-250°С в среде ненасыщенного водяного пара. Фирма REI активно продвигает на рынок камеры ректификации древесины с объемом полезной загрузки от 1,5 до 8 м³.
4. Немецкая технология на основе технологии сушки древесины в жидких органических веществах.
В этой технологии в качестве защитной среды используются различные растительные масла (льняное, подсолнечное, рапсовое и др.), а сама термообработка ведется при четырех температурных режимах.
5. В других странах Европы, в Канаде, Украине и в РФ реализовано несколько технологий термообработки, близких указанным выше технологиям. Процесс термообработки древесины можно разделить на следующие стадии: повышение температуры в камере до 130-150° С и сушка при высокой температуре с уменьшением влажности почти до нуля. Затем происходит повышение температуры в камере и соответственно самой древесины в среде насыщенного водяного пара до температуры 200-240°С. При этом в камере создается незначительное избыточное давление по сравнению с атмосферным. На этом этапе древесине и придаются определенные свойства и цвет, т.е. получается новый материал — термодревесина. Далее температура снижается, а влажность древесины доводится до уровня 4-6%.

Технология паростабилизации
Особый интерес вызывает технология паростабилизации — современная технология термообработки в среде водяного пара без доступа кислорода при температуре 230-240°С без добавления каких-либо химических веществ, использующая естественную термохимическую реакцию.
За счет высоких температур обработки в древесине разлагаются гемицеллюлозы, что на фоне низкой равновесной влажности устраняет условия для возникновения и размножения грибка и микроорганизмов.
В результате молекулярных изменений в структуре древесины, в первую очередь за счет деполимеризации целлюлозы и увеличения ее кристалличности происходит стабилизация древесины — повышается ее химическая стойкость и стабильность геометрических размеров, То есть термообработка приводит к защите от деформаций (в т.ч. «разбухания» и «усыхания») при изменении влажности и температуры окружающей среды.
Термическая обработка придает обычной древесине необычные декоративные свойства, эффектно проявляется текстура древесины. Причем оттенок, который приобретает древесина в результате термической обработки вызван не тонировкой, а изменениями в самой древесине под воздействием высоких температур, и цвет древесины однороден по всему сечению. В зависимости от заданного режима термообработки можно добиваться разных цветов дерева (от светло-бежевого и золотистого до темно-коричневого).
Термообработка придает каждой породе необыкновенную выразительность. Открывается простор для творческой фантазии. Хотя изделия из термообработанной древесины обычно не нуждаются в дополнительной обработке, обработка маслом или лаком вызывает очень интересный декоративный эффект. Любителям модной сейчас искусственно состаренный древесины тоже очень нравится дермодревесина. Например, термодуб (дуб-термо), без какой-либо популярной сейчас химической обработки, при определенном режиме термообработки выглядит состаренным. Для достижения дополнительного декоративного эффекта термообработку можно подвергать колорированию натуральными прозрачными красками, позволяющими сохранить текстуру древесины. При этом древесина остается абсолютно экологически чистой.
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 садовой мебели, лодок, музыкальных инструментов и т.п.
С точки зрения экологии в качестве материала для полков в сауне и бане термообработанная древесина (в том числе хвойных пород) является достойной альтернативой традиционному абашу-самбо, которое растет только в экваториальных вечнозеленых, так называемых, «дождевых лесах» — основном источнике кислорода в атмосфере Земли — которые невозможно восстановить.

Основные изменения физической и химической структуры древесины при ее термообработке
Для того чтобы разобраться в сути изменений, которые происходят при термообработке древесины, коротко напомним о структуре необработанной древесины.
Древесина (ксилема), ткань древесных и кустарниковых растений, придающая им механическую прочность и участвующая в их питании. Древесина состоит из клеток (волокон, сосудов и др.) с одревесневшими (пропитанными лигнином) оболочками и составляет основную часть ствола, корней и ветвей растений. Между корой дерева и самой Древесиной находится слой живых клеток (камбий), при делении которых, с одной стороны, образуется кора, с другой — новый слой древесины. А наружные молодые физиологически активные слои древесины, примыкающие к камбию, называются заболонь.
Химический состав древесины зависит от породы и возраста деревьев, от части дерева, а также от типа леса, в котором росли деревья. Природная древесина — гигроскопичный материал капиллярнопористой структуры, способный удерживать влагу в макропорах (в полости клеток — свободная влага) и микропорах (между фибриллами клеточной стенки — связанная или гигроскопичная влага). При удалении связанной влаги древесина уменьшается в размерах. В сформировавшейся древесине имеются пустые или заполненные различными веществами пространства между округленными углами клеток — межклетники.
Срубленная древесина состоит из клеток с отмершим протопластом (клетка состоит из оболочки и живого содержимого — протопласта), т.е. из одних клеточных оболочек. Оболочку вполне сформировавшейся взрослой клетки называют клеточной стенкой.

Главные компоненты клеточной стенки:
Целлюлоза 41…58%
Гемицеллюлозы (Гексозаны+Пентозаны) 15…38%
Лигнин 17…34%
Экстрактивные вещества
(смолы, камеди, танины
и таниды, жиры и др.) 0,8…6,9%
Минеральные вещества 0,1…1 %
Целлюлоза — главная составная часть клеточных стенок. Обеспечивает механическую прочность и эластичность тканей. Представляет собой углеводный полимер — полисахарид с высокой степенью полимеризации (6000…14000).
Мельчайшее, структурное образование — элементарная фибрилла — представляет собой пучок макромолекул целлюлозы. Элементарные фибриллы включают участки с упорядоченным (кристаллические области до 70-80%) и беспорядочным (аморфные области) расположением молекул целлюлозы.
Структурные элементы, различное расположение которых создает слоистое строение клеточной стенки, называются микрофибриллами.
Целлюлоза является тем компонентом древесины, который при термообработке при повышении температуры до 240-250°С подвергается незначительному разрушению.
При повышении температуры процесса до 240°С степень полимеризации целлюлозы уменьшается. Это объясняется тем, что образовавшаяся в результате гидролиза гемицеллюлозы уксусная кислота деполимеризует микрофибрилы целлюлозы на аморфных участках. В итоге уменьшается длина полимерных цепочек и увеличивается кристалличность целлюлозы, повышается ее химическая стойкость и снижается активность. При этом удаляется связанная вода, оксид и диоксид углерода.
Данные изменения положительно влияют на показатели равновесной влажности и стабильности размеров термомодифицированной древесины (она значительно  утратит способность к впитыванию влаги — «набуханию», что в свою очередь ведет к повышению стабильности ее размеров). Несколько увеличатся показатели твердости древесины при незначительном уменьшении прочности. Пространства между целлюлозными микрофибриллами заполнены неуглеводным полимером лигнином, а также гемицеллюлозами.
Гемицеллюлозы — это полисахариды, выполняющие в клеточной стенке функцию аморфного цементирующего состава. Гемицеллюлоза состоит из относительно коротких макромолекул, молекулярная масса которых значительно меньше, чем у целлюлозы. Степень полимеризации обычно равна 60…200. Гемицеллюлозы входят в состав клеточной стенки, а также откладываются в клетках и служат запасными питательными веществами.
Гемицеллюлоза является тем компонентом древесины, которая подвергается наибольшей деструкции в процессе термообработки.
При повышении температуры процесса до 120°С из ацетилированной гемицеллюлозы путем гидролиза образуется уксусная кислота, которая при дальнейшем повышении температуры процесса служит катализатором гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров (арбидозы, галактозы, ксилозы, маннозы). Эти сахара выводятся из технологического процесса за счет своей растворимости в воде.
Температура полного разложения гемицеллюлозы в зависимости от условий процесса варьируется в интервале от 200 до 260°С. При известных условиях термообработки древесины лишь небольшая часть гемицеллюлозы остается в ней, но это уже не влияет на приобретаемые древесиной новые качества. Результат — существенно снижается объем материала, чувствительного к грибку, что приводит к повышению (на несколько порядков) показателей устойчивости к разрушению под воздействием грибка по сравнению с древесиной мягких пород, высушенной в обычной печи.
С разложением гемицеллюлозы снижается концентрация водопоглощающих гидроксильных групп, что приводит улучшению показателей формоустойчивости обработанной древесины.
Лигнин, как аморфный полимер, является своего рода связующим между фибриллами целлюлозы, придавая прочность и жесткость клеточной стенке (если целлюлоза по своим свойствам соответствуют арматуре, то лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, — бетону). Лигнин нерастворим в воде и органических растворителях, устойчив к действию ферментов, не участвует в обмене веществ.
При низких температурах процесса (до 200°С) преобладающими являются реакции гидролитического разложения углеводов древесины и частичная деполимеризация лигнина с образованием низкомолекулярных фрагментов, способных растворяться в органических растворителях (диоксан — вода, этанол-вода, ацетон-вода) и в водных растворах щелочей. Повышение температуры процесса усиливает степень деструкции углеводов древесины, а между тем с реакциями деполимеризации лигнина начинают конкурировать реакции его реполимеризации. Поэтому при изменении температуры технологического процесса до 200°С количество лигнина в древесине падает, а с увеличением температуры процесса количество лигнина заметно возрастает, достигая 33,0-36,0%. По-видимому этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что древесина в процессе термообработки практически не теряет своих прочностных качеств, так как содержание своеобразного «цемента» в ее структуре практически не меняется.
Экстрактивные вещества. Древесина содержит незначительное количество маломолекулярных компонентов. На экстрактивные вещества приходится менее 5% древесины. Экстрактивные вещества разнородны в различных породах дерева, и количество составных структур очень велико. Экстрактивные вещества не являются структурными компонентами древесины, большинство составных структур легко испаряются при термообработке.

Описание свойств ТСВД (термомодифицированной древесины)
Плотность. Плотность изменяется измерением веса и размеров образцов. Теомообработка древесины уменьшает плотность на 5-10% (за счет уменьшения равновесной влажности древесины и высвобождения связанной на химическом уровне воды.
Прочность. В целом прочность древесины строго скореллирована с ее плотностью. Соответственно термообработка немного уменьшает прочность, однако соотношение прочности и плотности древесины практически не меняется.
Прочность на изгиб. Термообработка при температурах ниже 200 град. Цельсия практически не влияет на прочность на изгиб, при более высоких температурах возможно некоторое уменьшение такой прочности. Однако по результатам исследований было найдено, что термообработка оказывает позитивное влияние на эластичность молекул древесины. Рекомендуется, чтобы этот параметр учитывался при использовании термообработанной древесины под постоянной нагрузкой.
Прочность на давление. Это свойство зависит главным образом от плотности древесины. В соответствии с испытаниями было установлено, что термообработка не имеет негативного влияния на значения прочности давления. Более того, в ряде случаев были получены результаты лучше, чем для древесины, высушенной обычным способом.
Скалывание. Термообработка может несколько уменьшать сопротивление скалыванию, однако это зависит от температуры (степени обработки).
Сопротивляемость выдергиванию шурупов. Это свойство также находится в сильной зависимости от плотности. Гораздо большее влияние на этот параметр оказывает плотность и порода древесины сама по себе, чем термообработка. Было найдено, что для материалов малой плотности результаты были лучше, если при использовании шурупов предварительно сверлить отверстия под них.
Твердость. Твердость немного увеличивается при термообработке древесины.
Равновесная влажность древесины. Термообработка приводит к уменьшению равновесной влажности древесины в среднем на 40-50% по отношению к необработанному дереву. Равновесная влажность термообработанной древесины составляет 4-6%.
Стабилизация. У термообработанной древесины и тангенциальная, и радиальная размерная стабилизация улучшается существенно (в 10-15 раз). Стабильность размеров при перепадах влажности и температуры окружающей среды — за счет деполимеризации целлюлозы на аморфных участках уменьшается длина полимерных цепочек целлюлозы и повышается ее кристалличность. Уменьшаются деформации, термодревесина не усыхает, не разбухает.
Проницаемость воды. Влагоотталкивание — способность впитывать влагу термообработанной древесиной значительно снижено Термообработка существенно уменьшает проникновение воды (в 3-5 раз).
Теплопроводность. Тесты показали, что теплопроводность термообработанной древесины не менее чем на 20-25% ниже, чем для необработанного дерева.
Биологическая долговечность. Тесты в стандартах EN 113, ENV 807 в лабораторных условиях показали существенное увеличение биологической долговечности (в 15-25 раз). Термообработанная древесина не нуждается в какой-нибудь химической защите. Абсолютная устойчивость к биологическим поражениям. За счет высоких температур обработки в древесине разлагаются гемицеллюлозы, что на фоне низкой равновесной влажности устраняет условия для возникновения и размножения грибка и микроорганизмов. Уничтожаются биоповреждающие агенты (насекомые и их личинки, бактерии, грибы и их споры), находившиеся на дереве в естественной среде. Абсолютно экологически чистый материал.
Сопротивляемость погодным условиям. Как и большинство природных материалов, термообработанная древесина подвержена влиянию ультрафиолетовых лучей. В результате после продолжительного нахождения под воздействием прямых солнечных лучей цвет постепенно меняется от коричневого к коричневому с сероватым оттенком. Ультрафиолетовое излучение также может привести к появлению маленьких поверхностных трещин, если древесина на была покрыта лаком или краской. Для избежания этого рекомендуется использовать стандартные пигментные поверхностные защиты от ультрафиолетовых лучей.
Цвет становится более насыщенным и однородным по всему сечению, эффектно выявляется текстура древесины. Достигается визуальный эффект ценных пород древесины. В большинстве случаев ТСВД может применяться без обработки тонирующими составами или лакокрасочными материалами.
Пожаростойкость. температура воспламенения ТСВД выше на 50-80°С в зависимости от породы и тем выше, чем больше необработанное дерево содержало смолистых и эфирных веществ. ТСВД горит крайне неохотно за счет модификации полимеров целлюлозы, высокого содержания лигнина и деструкции горючей гемицеллюлозы.

Рекомендации по обработке термодревесины

Обработка поверхности
В процессе термообработки древесная смола удаляется. Таким образом поверхность для окраски становится более стабильной, а для натирания и придания блеска — более ровной.
Обработка древесины увеличивает износостойкость, уменьшает возможность возникновения трещин и оживляет поверхность.
Термообработанную древесину можно в свою очередь при желании обрабатывать масляными и на основе воды защитными веществами или другими соответствующими веществами, рекомендуемыми для защиты внешних поверхностей.
ТСВД может впитывать вещество для поверхностной обработки более сильно, чем необработанная.
Перед началом обработки рекомендуется очистить поверхность от пыли и грязи.
Перед обработкой внешних поверхностей рекомендуется провести предварительную обработку и использовать вещества для обработки поверхностей согласно инструкции производителя.
Для террас и горизонтальных поверхностей рекомендуется в качестве предварительной обработки натереть пол до блеска соответствующим веществом, а для достижения конечного результата обработать поверхность 2 раза деревянным маслом.
Поверхности, которые в дальнейшем будут покрываться лаком, сначала должны быть отшлифованы по направлению волокон или обработаны строгальным инструментом.
В качестве грунта перед лакировкой рекомендуется использовать блестящий лак, разбавленный на 10-20% с учетом впитывания, или лак для грунтовки, рекомендуемый изготовителем. Степень блеска лака для поверхностей выбирается по желанию.
Обработка маслом или лаком может немного углублять или делать темнее поверхность. При окрашивании латексными красками обработанных рубанком поверхностей для достижения наилучшего прилипания краски необходимо использовать матовый алкидный грунт.
Обработанную рубанком термообработанную древесину не следует грунтовать латексными красками. Латексные краски можно использовать только для поверхностной окраски.

Склеивание
Термообработанное дерево медленнее поглощает воду, соответственно и водоосновные клеи, такие как ПВА, должны иметь большее время для проникновения. Поэтому необходимо более длительное время для нахождения под прессом. Наилучшие результаты показали двухкомпонентные клеи. Полиуретановые клеи хорошо работают с термообработанной древесиной. Параметры химически затвердевающих клеев такие же, как и для обычного дерева. Из-за того, что способность к усушке и набуханию у термообработанного дерева существенно снижена, то его не рекомендуется склеивать с необработанным деревом.
ТСВД — новый прогрессивный материал, который обладает уникальными свойствами и усиливает привлекательные свойства традиционной древесины — открывает новые стороны применения взамен не только обычного дерева, но и многих синтетических или композитных материалов, которые с избытком применяются в строительстве и отделке среды обитания.