Автор: инж. Людмил Георгиев
През последното десетилетие се повиши интересът към технологиите, с които чрез модифициране на дървесината се променя химичната структура на клетъчните й стени. Целта е подобряване на устойчивостта на деформация и повишаване на съпротивлението срещу действието на гъбички чрез прибавяне на небиоцидни вещества. Едновременно се поставя и задачата за намаляване на влагопоглъщането и повишаване светлоустойчивостта. За подобряване на дълготрайността на дървесината съществуват различни технологични методи за нейното модифициране.
Модифицирането на дървесината е целенасочена промяна на нейните свойства. По този начин се увеличава механичната й якост не по-малко от три пъти, водоустойчивостта – 2-3 пъти, химическата устойчивост – 3-4 пъти. На тази обработка се подлага не само качествената дървесина, но също и тази с ниско качество, особено меката дървесина (елша, трепетлика, бреза, бук, явор). Модифицират се обикновено заготовки – дъски, греди, плочи, ролки и т. н., изсушени до съдържание на вода 8-25%. Модифицираният дървен материал се използва за производството на подови настилки, мебелни части, музикални инструменти, леярски модели, тъкачни станове и макари, елементи на капачки, използвани при забиването на пилони, като заместител на черни и цветни метали в някои части на машини, използвани в триещи се възли и др.
Технологиите за модифициране на дървесината непрекъснато се развиват. Сега се прилагат много иновативни методи за нейната защита. Физичните методи за модификация се състоят в пресоване на дървесината напречно на влакната и въвеждане в нея на инертни материали, без те да проникват през клетъчните стени. Химичните методи предизвикват промени в състава и свойствата на клетъчната стена чрез импрегниране на дървесината с мономери, олигомери и полимерни вещества. Например пресоването на дървесината след предварително пропарване, нагряване и третиране с основи увеличава нейната плътност до 1200-1300 kg/m3, твърдостта, якостта на удар и съответно нейната износоустойчивост.
В резултат на модификацията се получава евтин материал с нови технологични свойства, които позволяват използването му в машиностроенето за създаване на ефективно работещи детайли и възли.
Модифицирането на дървесината се извършва не само за подобряване на механичните и експлоатационните качества. Третирането с основи в присъствие на вода подобрява нейната декоративност. Цветът й се променя от светло до тъмнокафяво (за отделни дървесни видове до черно).
Използването за тези цели на оцетен анхидрид (ацетилиране) дава възможност едновременно да се увеличи биоустойчивостта, да се намали влаго- и водопоглъщането, да се подобри стабилността на формата на продукта в условията на изменяща се влажност. По външен вид ацетилираната дървесина не се различава от естествената и механичните й свойства също остават непроменени.
Технологиите за химическа и термична модификация могат да променят свойствата на изделията от дървесина за увеличаване на тяхната дълготрайност, надеждност и запазване на външния вид.
Ацетилиране на дървесината
С този метод на обработка на дървесината хидроксилните групи на целулозата и лигнина взаимодействат с оцетния анхидрид. В резултат на естерификацията на хидроксилните групи се извършва хидрофобизацията на дървения материал. Ацетилирането значително подобрява устойчивостта му, стабилността на размера (намаляване на набъбването и свиването от съсъхване) и повишава устойчивостта на ултравиолетово облъчване. В зависимост от вида на дървесината в процеса на ацетилиране се променя цветовият й оттенък. Ацетилираната тополова дървесина например е била използвана успешно в хидротехническото строителство.
Сега ацетилирането на дървесината в индустриален мащаб широко се прилага в Европа. На пазара са известни марки като TitanWood – Нидерландия, Accoya – Великобритания и др. Въпреки скъпия и многоетапен процес на ацетилиране под високо налягане фирмата TitanWood BV в Нидерландия е въвела в промишленото производство завод с производствен капацитет от 30 000 m3 годишно на готова ацетилирана борова дървесина. Тя е предназначена за прозорци, врати, външни облицовки и подови настилки. В съответствие с данните на производителя ацетилираната дървесина се характеризира със следните свойства и предимства:
– клас на устойчивост 1 по DIN EN 350-2;
– обемна плътност от 500-550 kg/m3;
– намаляващи параметри на подуване и свиване до 80% спрямо необработена дървесина (стабилност на предварително определени размери);
– остатъчно съдържание на влага в дървесината от около 4-5%;
– отпада операцията по импрегниране. Трябва само грунд против посиняване на дървесината (дефект, предизвикан от синевинни гъбички);
– 10-годишна гаранция за полупрозрачна и покриваща лаково-бояджийска система на ацетилираната дървесина.
Патентованата технология за ацетилиране на дървесината на фирмата „Accoya” гарантира защита на дървесината срещу гниене, без да се обръща внимание на елементите в продължение на десетилетия. Дава се гаранция на ацетилирания дървен материал за устойчивост от 50 години над земята и 25 години в земята или в прясна вода. Затова неговите характеристики и свойства са забележителни. Той е водещ материал за подови настилки, облицовки и др.
Модификация със смоли, съдържащи меламин
Модификацията на дървен материал с меламинова смола води до образуване на повърхността му на полимерна мрежа. Тя се получава в резултат на реакцията на смолата с хидроксилните групи на дървения материал (поликондензация). Подобряването на качеството чрез използване на меламинови смоли води до получаване на по-стабилна по размер и по-твърда дървесина. Повишaва се дълготрайността до клас 2 по DIN EN 350-2. Подобрява се устойчивостта на деформация с едновременно намаляване на свиването и разширяването до 30%. Защитата срещу биопоражения също се подобрява. Ефикасността на метода до голяма степен зависи от типа на използваната смола и степента на обработка. Дървесината, обработена с меламинови смоли, се нарича също полимер-дървесина. Недостатък на този метод в момента са високите разходи за процеса.
Модификация с производните на ДМДХЕК (диметилол-дихидрокси-етиленкарбамид)
Този вид обработка се извършва по метода на Belmadur, който е защитен с патент. При този метод първоначално от дървесината под вакуум се извлича въздухът, след което в същата инсталация, но вече под налягане, се извършва импрегниране с воден разтвор на смола. По този начин водният разтвор на смолата при налягане над 1MPa напълно прониква в дървесината. При последващо нагряване до температура над 100 °С целулозните влакна се омрежват един с друг в полимерна структура. Омрежващ агент в този случай е модификаторът 1,3-бис(хидроксиметил)-4,5(дихидрокси)-имидазолидинон-2(M-DMDHEU), който влиза в реакция на поликондензация с хидроксилните групи на целулозата в присъствието на специални катализатори.
Процесите на изсушаване и втвърдяване се контролират, за да се предотвратят емисии на формалдехид.
Със запълването на междуклетъчното пространство на дървесината значително се намалява абсорбцията на вода и се увеличава твърдостта на дървения материал, а чрез намаляване на подуването и свиването му се увеличава експлоатационният срок на лаково-бояджийските покрития върху него.
Фурфулиране
Фурфулирането е импрегниране на дървесината с фурфуролен алкохол под вакуум с последващо съхранение и сушене, при което се образува фуранов полимер в структурата на дървесината. Преди съхранение разтворът на фурфуролния алкохол се отстранява. Фурфуриловият алкохол е регенерируем химикал, който се произвежда от хидролизирана биомаса.
С този метод може да се обработват различни дървесни видове. Така например в Норвегия фирмата Kebony произвежда фурфулиран дървен материал, като използва южен жълт бор, бук, явор и ясен. Първоначално импрегнирането се извършва в автоклав с дължина 13 m и диаметър 3.25 m. Налягането варира от 0,01 до 1,3 MPa. Ъгълът на наклона на автоклава е 5° и се осигурява естествено дрениране на работната течност със суровината. След импрегниране дървесината се запазва в резултат на протичащата полимеризационна реакция на фурфуролния алкохол с образуване на фуранов полимер. Във вакуум сушилни камери поетапно протичат операциите по сушене и съхранение. Кондензатът, който се образува в този случай, се събира и се използва повторно в обработката на следващата партида от суров материал като разредител на сместа с импрегниращата течност.
Модифициране с горещи хидрофобни растителни масла
Импрегнирането на дървесината с горещи хидрофобни растителни масла не се различава коренно от технологията за химическа защита и съответното оборудване. Маслото в количество 80-180 kg/m3 се впива в клетъчните стени и по този начин намалява хигроскопичността на дървесината.
Модификация на дървесината чрез термична обработка (термодървесина)
През последното десетилетие технологиите за термична обработка на дървесината най-активно са разработени в Европа – главно във Финландия и Франция, както и в Германия. Има производства в САЩ и Канада. Сега 35 000 m3 дървесина се обработват чрез различни работещи технологии, предлагани на технологичния пазар. Но в повечето случаи процесът на създаване на термично модифицирана дървесина се състои от три етапа: нагряване на дървения материал с водна пара, изсушаване за отстраняване на влагата, промяна на цвета на дървесината (от светлокафяв до черен). В основата на всички тези технологии лежи принципът на химична конверсия (превръщане) на компонентите на клетъчните стени под въздействието на висока температура (150-2500 С), без да се изменя химическият им състав. Полученият модифициран материал се състои от същите химични елементи – въглерод, водород, кислород и азот. Хемицелулозата, лигнинът и целулозата се променят в съответствие със споменатата температурна последователност. В резултат на това се намалява броят на хидроксилните групи и се увеличава биологичната устойчивост. Промяната се извършва по цялото напречно сечение.
Свойствата на термодървесината в известна степен могат да се променят в зависимост от температурата и времето на обработване, налягането и вида на средата, а също от вида й и първоначалното съдържание на влага. Но при това трябва да се отчита, че с подобряването на някои характеристики може евентуално да се влошат други. Значителното повишаване на температурата например подобрява биоустойчивостта на материала, но води до увеличаване на чупливостта и до намалена якост като цяло. При едновременно повишаване на температурата и времето за обработка се увеличава твърдостта и стабилността на размера, но също така се намалява механичната якост на дървесината, което ограничава използването на материала като конструкционен. От друга страна, продължителната термична обработка при ниски температури не позволява да се модифицира дървесината, а многостепенното изменение в сравнение с едностепенното може да има значително по-малък ефект върху формирането на желаните свойства на материала. Предвид гореизложеното може да се обобщи, че целенасочената термична модификация на дървесината е предимно компромис между основните и второстепенните й свойства, които играят ключова роля в производството на крайния продукт. Отпадъците,оставащи след обработката на дървения материал, могат да бъдат изгорени, без да се уврежда околната среда.
Промяна на свойствата на модифицираната дървесина зависимост от температурата
Забележка : + увеличаване, ++ значително увеличаване
В зависимост от промишления метод нагряването може да се извърши в атмосфера на горещ въздух/водна пара, в азотна атмосфера, без кислород или в маслена баня.
При едностепенната обработка с водна пара се използват агрегати, наподобяващи сушилни камери, в които след зареждане с дървения материал се подава пара. Съдържанието на кислород във въздуха на тези инсталации се намалява до 3.5%, така че при температури 150-2000 С да се забавя окисляването (горенето) на дървесината. При обработването на предварително изсушена дървесина общата продължителност на процеса е около три дни. Също така е възможно и обработване на суров материал. В този случай продължителността на процеса ще бъде по-голяма заради необходимото време за сушене на материала.
При многостепенната обработка с водна пара дървеният материал за 4-5 часа се третира с наситена пара или вода (процес изваряване) при температура 150-2000 С. Самият процес се извършва в херметичен съд под налягане до 1.6 МРа. След това дървеният материал се суши в камера в продължение на 3-4 дни до крайно съдържание на влага около 10%. По време на фаза „втвърдяване” дървеният материал се нагрява още веднъж до температура 170-1900 С в продължение на 14-16 часа.
Обработката в горещо масло се извършва с потапяне на сухия дървен материал в растително масло и бавно загряване до температура 180-2200 С. Продължителността на тази обработка е 2-4 часа. При това допълнително се абсорбира масло в дървения материал в зависимост от неговите размери (повърхност) и това може да се регулира. Продължителността на процеса е около един ден.
Обработката с инертни газове е известна като процес Retification (да не се бърка с ректификация). В този случай вместо с водна пара или масло дървеният материал се обработва в азотна атмосфера със съдържание на кислород до 2% при повишено налягане.
Приетите в различни компании и държави технологии за термически обработена дървесина се различават до известна степен по режимите за термична обработка и управление на тези режими. Разбира се, има различия и в конструкцията на термообработващите камери. Оборудването, използвано за термообработката, по конструкция и принцип на действие е подобно на крайни високотемпературни сушилни камери. Такова оборудване трябва да отговаря на следните изисквания: висока химическа устойчивост на материала от вътрешната повърхност на камерата (неръждаема стомана), ниска топлопроводимост на стените на камерата (увеличена дебелина на топлоизолацията – не по-малко от 200 mm), присъствието в конструкцията на електродвигатели и лагери на вентилатори, предназначени да работят при високи температури, мощни високотемпературни нагреватели, системи за автоматизация, осигуряващи точен многофакторен контрол, управление на процеси и режими за обработване на материала. Горните изисквания значително увеличават разходите за тези камери в сравнение с обикновените сушилни.
Обемът на натоварване може да бъде различен – от 5 до 90 m3 материал.
Влажността на дървесината след топлинната обработка се намалява с 80-90%, т. е. получава се екологично чист материал с ниска хигроскопичност, ниска топлопроводимост, ниско съдържание на смола в състава на иглолистните видове.
Патенти и лицензи за производство на термодървесина
Финландската технология Thermowood® е една от най-известните търговски марки на термично модифицирана дървесина. Тя принадлежи на основаната през декември 2000 година организация ThermoWood Association. Разработчици и производители на оборудването са шведско-финландският концерн Stora Enso Timber, финландските компании Finnforest, Lunawood, Stellac, Tekmaheat, Valutec, италианската фирма Baschild, френската компания BCI-MBS. Особеност на тази технология е, че термомодификацията на дървесината се извършва в защитна атмосфера на водна пара при температури 185-212о С.
Най-голям брой на произведеното оборудване се отнася именно към този метод на топлинна обработка на дървесината.
Освен Thermowood® са разпространени и други технологии.
Холандската технология Plato® е разработена от компанията PLATO-Wood (Providing Lasting Advanced Timber), която е и производител на оборудването. Нейната особеност е извършване на термомодификация чрез термична хидролиза на дървесина при температури 160-190о С.
Френската технология Retifi-cation е разработена от минния институт в град Сент Етиен. Производител на оборудването е компанията REI от същия град. Термомодификацията се провежда при температура 220-250о С в среда на наситена пара. Фирма REI активно промотира на пазара камери за ретификация на дървесина с обем на полезен товар от 1.5 до 8 m3.
Немската технология Menz Holz се базира на сушене на дървесината в течни органични вещества. В тази технология като защитна среда се използват различни растителни масла (ленено, слънчогледово, рапично и др.), а топлинната обработка се провежда в четири температурни режима.
Собственик на патент за производство на термодървесина по метода на ретификация Bois rétifié е NOW S. A. (New Option Wood Limited Company), а основните производители на продуктите от тази марка са HTT Soustons, RETITECH, RETIMAC и RETIBOIS.
При сравнение на цената на продуктите от термично модифицирана дървесина с алтернативни продукти трябва да се вземат предвид разходите за производство, които зависят от стойността на оборудването, суровините и провеждането на процеса. Цената на оборудването зависи от метода за ограничаване на капацитета на оборудването и цената на лиценза. Ето защо за сравнение следва да се разгледа единичната цена на оборудването за обработване например на 500 м3 дървесина годишно:
| Метод на модификация | Цена на оборудването, хил. евро | Производителност на оборудването, хил. m3 / год. | Единична цена, хил. евро / 500 m3 / год. |
| Plato | 10000 -15000 | 75 | 67 – 100 |
| Retification | 460 – 690 | 3-9 | 38.5 – 77 |
| В горещо масло | 450 | 8.5 | 26.5 |
Решаващо влияние върху ценовата политика има видът, качеството и размерите на суровината. В Скандинавия най-разпространени са смърч, бор и бреза, а в Централна Европа – бор, смърч и топола. Коренно различно е ценообразуването на пазара на термично модифицираните ценни видове (дъб, ясен, акация), които след обработването придобиват променен цвят и стабилна форма. Цената на термичната модификация по различни методи, в съответствие с различни източници, е в рамките на 60-160 евро/m3. Обработването по метода Thermowood® струва 160 евро/m3, Plato® – 100 евро/m3, в горещо масло – 60-90 евро/m3, в инертен газ – 150-160 евро/m3.
