Новые технологии модификации древесины для производства окон

Термическая обработка
Из всех технологий модификации наиболее широко распространены в Европе термические способы обработки древесины. В настоящее время уже 35000м? древесины обрабатывается с помощью различных существующих на рынке технологий. В основе всех этих технологий, при всех их технических различиях, лежит принцип химического превращения составных элементов стенок клетки под влиянием высокой температуры (150?С) и, благодаря этому, улучшения таких свойств, как долговечность и устойчивость к деформации.

Ацетилирование
Одним из наиболее хорошо изученных с научной точки зрения способов модификации является ацетилирование древесины с помощью уксусного ангидрида. В результате реакции дерева с уксусным ангидридом часть гидроксильной группы стенок клетки превращается в ацетиловую группу (Рис.1). В ходе реакции образуется побочный продукт — уксусная кислота, которая может быть снова преобразована в уксусный ангидрид.
Ацетилированная древесина еще не представлена на европейском рынке, однако она производится в небольших количествах на пилотных установках в Нидерландах и Швеции.

Полимеризируемые химикаты
На практике для модификации древесины уже многие десятилетия широко применяются моно- и полимеры, а также природные смолы. Основное внимание при этом уделялось улучшению механических свойств, например, поверхностной твердости. В начале 90-ых годов исследования в области использования этих химикатов возобновились, однако теперь не только с целью улучшения физических свойств, но и с целью повышения долговечности и устойчивости к деформации. Механизм действия веществ следующий:
а) смола может вступать в химическую реакцию с полимерами стенок клетки;
б) она может накапливаться исключительно в полости клетки.
Некоторые из методов уже применяются в промышленности или находятся на пороге внедрения.

1. Образования полимерной сетки в древесине
Для образования полимерной сетки в древесине применяются различные химикаты, которые первоначально использовались в текстильной промышленности. Примером таких химикатов является DMDHEU (диметил-дигидро-этиленмочевина). Это вещество может проникать в стенки клеток древесины, там поликонденсироваться и обеспечивать тем самым образование полимерной сетки. В результате этого стенки клеток приходят в набухшее состояние и фиксируются в нем на долгий срок. Образование полимерной пленки (Рис.2) одновременно обеспечивает невозможность расширения древесины до первоначальных размеров.
Благодаря усилиям науки и промышленности в ближайшие годы планируется внедрение этой технологии на рынок.

• Share

Рис.1
Химическая реакция ацетилирования. В древесине появляются новые ацетиловые группы, образуется уксусная кислота.

• Share

Рис.2 Принцип действия DMDHEU (диметил-дигидро-этиленмочевины). Благодаря увеличению объема и образованию полимерной пленки уменьшается расширение и усадка древесины

2. Меламиновые смолы
Увеличение долговечности до класса 2 и повышение устойчивости к деформации с одновременным снижением усадки и расширением до 30% может быть обеспечено путем обработки меламиновыми смолами. Эффективность метода в значительной степени зависит от вида применяемой смолы и степени обработки.

3. Фурфуриловый спирт
Первые технологии фурфурилизации древесины были разработаны уже несколько десятилетий тому назад. Фурфуриловый спирт — это регенерируемый химикат, который производится из гидролизированной биомассы.
Свойства фурфурилизированной древесины зависят от степени обработки облагороженным/поликонденсированным фурфуриловым спиртом (PFA). При высокой степени обработки достигается улучшение широкого диапазона свойств древесины, таких, как твердость, устойчивость к поражению грибком и насекомыми, устойчивость к действию химикатов, механические свойства и устойчивость к деформации.
Фурфурилизированная древесина предположительно появится на европейском рынке в 2004 году. В настоящее время в Норвегии строится завод производительностью приблизительно 15 000 м³.

Кремнийорганические соединения
Кремнийорганические соединения хорошо подходят для модификации древесины, так как четырехвалентный атом кремния способен образовывать соединения с гидроксильными группами целлюлозы и тем самым связывать функциональные группы в древесине или образовывать полимерную сетку. Исходными материалами для модификации могут служить, например, растворимое стекло, алкоксиланы и силиконы, а также органические соединения, которые содержат кремний в составе функциональной группы.
Путем введения кремнийсодержащих соединений в древесину может быть улучшена устойчивость к деформации, долговечность, огнеупорность и твердость древесины.

Свойства модифицированной древесины, использующейся для производства окон
Возможности применения модифицированной древесины для производства окон изучается в настоящее время в совместном проекте различных промышленных предприятий и научно-исследовательских институтов Германии. Работы по проекту “DISTA” (устойчивая к деформации древесина для производства окон и строительства фасадов) координируется ISP в Розенхайме и поддерживаются DGfH (Немецкое научно-исследовательское общество в области деревообработки, Мюнхен).
Ниже приведем несколько примеров для свойств материалов, которые наряду с другими материалами являются предметом исследования данного проекта. Материалы, используемые при проведении испытаний, были предоставлены партнерами, участвующими в проекте. Речь идет об элементах с размерами, используемыми в практике строительства.

• Share

Рис.3
Расширение и усадка различных древесных пород. С помощью модификации бука его свойства становятся сопоставимыми со свойствами тика. Бук/30% означает бук, свойства которого были улучшены на 30% в результате модификации. То же справедливо для сосны/30% и бука/60%.

1. Устойчивость к деформации
Устойчивость к деформации имеет огромное значение в производстве окон. Способность древесины к расширению и усадке зависит от влажности и породы древесины, направления волокон и обработки. Бук, например, хорошо известен своей способностью к очень сильному расширению и усадке, и поэтому редко используется для производства окон (Рис.3).
Если с помощью технологии модификации удастся понизить набухание и усадку распространенных у нас пород древесины, то они значительно лучше подойдут для производства окон. Так, например, бук при улучшении его устойчивости к деформации приблизительно на 30% не уступает темно-красному меранти. При улучшении свойств сосны на 30% или бука на 60% их способность к расширению и усадке можно сравнить с аналогичными свойствами тропических пород, таких, как тик.
Как уже говорилось выше, существует много технологий модификации, обеспечивающих достижение подобного эффекта. В приведенных примерах модифицированной древесины применялись технологии обработки, соответствующие этому уровню (Рис.4).
Уменьшение расширения и усадки (ASE) в результате применения технологий, исследуемых в проекте “DISTA”, свидетельствует о том, что термическая обработка, ацетилирование и технология образования полимерной сетки позволяют настолько улучшить способность к расширению и усадке, что эти древесные породы становятся сопоставимыми по своим свойствам с тиком или даже превосходят его.

• Share

Рис.4
Улучшение способности к расширению и усадке (ASE) в результате применения некоторых технологий модификации. Наилучшие результаты были достигнуты с помощью термической обработки, ацетилирования и технологии образования полимерной сетки

2. Долговечность
Следующим важным свойством древесины для ее использования в производстве окон является долговечность. Это свойство имеет решающее значение в том случае, если на окне возникли повреждения, которые могут повлечь за собой повышение влажности древесины и возникновение грибка. Чем долговечнее материал, тем больше времени имеется в распоряжении для того, чтобы отремонтировать окно прежде, чем появятся не подлежащие ремонту повреждения в результате поражения грибком.
Путем модификации долговечность не отличающихся таковой отечественных сортов древесины увеличивается настолько, что становится сопоставимой с долговечностью тропических пород.
Однако к долговечности древесины, обработанной биоцидными средствами защиты, предъявляются еще более высокие требования, которые могут быть выполнены в результате применения далеко не всех технологий модификации.

3. Гидрофобизация
Одной из возможностей модификации древесины является ее гидрофобизация. Путем уменьшения и, в первую очередь, замедления водопоглощения предотвращается и устраняется расширение и усадка древесины и тем самым снижается опасность возникновения трещин в материале. Средняя влажность древесины уменьшается настолько, что не наступает поражения грибком. Снижение водопоглощения в значительной степени зависит от технологии модификации. Древесина, прошедшая термическую обработку или пропитанная воском, показала себя в данных испытаниях с наилучшей стороны (Рис.5).
Различают гидрофобизацию, которая понижает скорость водопоглощения, и гидрофобизацию, при которой сокращается количество поглощаемой воды. Многие методы модификации используют оба эти явления в сочетании.

4. Механические свойства
Механические свойства модифицированной древесины во многом отличаются от свойств необработанной древесины. Благодаря изменению механических свойств модифицированной древесины открываются новые возможности в области дизайна или применения.

• Share

Рис.5
Водопоглощение у различных сортов древесины.
Сорта древесины, прошедшие термическую обработку [H (N);
H (F)], обработку меламиновыми смолами [MRT] и воском [HRT], показали себя с лучшей стороны

5. Светоустойчивость
Природная древесина в значительной мере подвержена влиянию атмосферных условий. Лигнин разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения, а затем размывается водой. Чтобы предотвратить или замедлить этот процесс, существует два принципиальных подхода:
а) предотвращение и уменьшение разрушения лигнина;
б) предотвращение или уменьшение размывания разрушенного лигнина.
Древесина, прошедшая термическую обработку, не обладает высокой светоустойчивостью по сравнению с необработанной, коричневая окраска становится серой так же, как и у необработанной древесины. При ацетилировании дерева по сравнению с необработанной древесиной наблюдается повышение светоустойчивости, особенно в сочетании с нанесением покрытия. Использование технологий образования полимерной сетки, обработки меламиновыми смолами, фурфуриловым спиртом и маслом/воском обеспечивает уменьшение размывания лигнина и, таким образом, повышение светоустойчивости.

Табл. 1 Изменение механических свойств модифицированной древесины

• Share

6. Обработка
Аналогично механическим свойствам при определенных условиях изменяется также и пригодность модифицированной древесины к обработке. Следует обеспечить такие важные свойства, как пригодность к склеиванию, фрезерованию и нанесению покрытия. Исследования в рамках проекта “DISTA” показали на примере четырех различных клеящих веществ, применяющихся в отрасли, что существует достаточно хорошая возможность для склеивания модифицированной древесины. Наилучшие результаты наблюдались при использовании полиуретанового клея, применение которого показало приемлемые результаты для древесины, прошедшей обработку всеми исследованными методами модификации. Однако качество клеевых соединений, полученных на основе обычного поливинилацетатного клея, было в большинстве случае неприемлемым. Первые испытания по пригодности к механической обработке и нанесению покрытий продемонстрировали, что существует реальная возможность обработки модифицированной древесины и оптимального нанесения покрытий.

Хольгер Милиц (Holger Militz),
профессор
Андреас Краузе (Andreas Krause),
дипломированный инженер
Институт биологии и технологии
обработки древесины, университет
Георга-Августа, г.Геттинген, Германия