Еще в древности человек обратил внимание на изменение свойств древесины под воздействием высоких температур. Не случайно деревянные клетки заградительных сооружений и оборонительных крепостей в Киевской Руси обязательно обжигали, продлевая тем самым их срок службы.
Первые исследования по улучшению качества древесины и изменения ее свойств путем термообработки были проведены еще в 30-40-х годах XX века в Германии и Соединенных Штатах. Однако новейшие исследования и промышленное производство термообработанной древесины начались лишь в 1990-е годы. Немалую роль сыграли высокий спрос на изделия из дерева, безудержный рост цен на природное сырье, а также стремление сохранить леса планеты и не дать исчезнуть редким экзотическим породам.
Выбор древесины
Для термомодификации (Thermally Modified Timber — термически обработанная древесина может быть использована как свежесрубленная, так и высушенная древесина. Если процесс начать с древесины, то ее можно высушить в сушильной камере, а затем провести термическую обработку.
Термически можно обрабатывать древесину как мягких, так и твердых пород дерева: сосна, ель, пихта, кедр, береза, осина, дуб, ясень, лиственница, ольха, бук, клен, липа и др. Наибольшим спросом пользуется древесина мягких пород, на чью долю приходится 88% потребления. Данная статистика свидетельствует о популярности использования www.tuvaonline.ru во внешней среде (фасады, природоохранные конструкции и тому подобное), где применяются сосна и ель. Основным преимуществом твердых пород является их цвет и качество поверхности, поэтому они используются в интерьере в виде напольных покрытий, отделочных стеновых материалов или других элементов декора. Для каждой древесной породы технология (режим обработки) оптимизируется отдельно.
Изменение структуры и химреакция
В результате термической обработки структура древесины меняется. Нагрев изменяет ряд ее химических и физических свойств. На рис. 1 и 2 показаны различия между структурой обычной необработанной сосны и термообработанной.
Перед тем как описать процессы, происходящие при термической обработке древесины, необходимо указать, что основными составляющими оболочки клеток древесины является целлюлоза (40-58%), гемицеллюлоза (15-38%) , лигнин (20-50 %) и экстрактивные вещества (0,8 — 6,9%). Целлюлозы отвечает за механическую прочность и эластичность клетки. Гемицеллюлоза является своеобразным цементирующим составом в клеточных стенках. Лигнин — это органическое полимерное соединение, что вызывает одревеснение клеточных оболочек.
С нагреванием древесины при малых температурах сначала испаряются экстрактивные вещества — терпены, воск , фенол, жиры. Они не являются структуротворними и удаляются очень легко. Под действием более высоких температур (150 °С и выше) разлагается гемицеллюлоза. В результате происходит исчезновения питательной среды для грибков и бактерий, уменьшение объема материала, снижение уровня его внутренних напряжений и способность к водопоглощению. По мере дальнейшего повышения температуры начинают происходить структурные изменения и с целлюлозой: древесина в еще большей степени теряет способность впитывать влагу и ,соответственно, меньше поддается деформации. Кроме того она, как правило, становится тверже, но в незначительной степени теряет эластичность или прочность на изгиб. Для заготовок древесины различной толщины существуют определенные режимы обработки. Так же как и при сушке древесины, чем меньше их толщина, тем легче проходит процесс модификации.
Главная особенность термодревини как конечного продукта заключается в сочетании высоких физико-механических свойств. Необходимо отметить, что по своим характеристикам термодревесина представляет собой сочетание качественных свойств химически обработанной древесины с экологичностью естественной древесины.
Технология термообработки
Обработка древесины проводится в среде пресыщенного водяного пара при температурах свыше 180 °С. Обеспечивая защиту, пар также влияет на химические изменения древесины. Следует отметить важный фактор: при термической обработке не используют никаких химических добавок или каких-либо веществ, кроме воды и дерева, следовательно, в результате такой обработки древесина оставаться экологически чистым материалом. Технологический процесс не требует каких-то значительных объемов сточных вод. Экстрактивные вещества, выделяющиеся из древесины, выводятся из камеры в виде водного раствора и отделяются в специальном отстойнике.
Процесс термической обработки можно разделить на три фазы (рис. 3).
Фаза 1. Нагрев и сушка. Происходит повышение температуры среды и сушка древесины при высокой температуре. При помощи тепла и пара температура в камере интенсивно поднимается примерно до 100 °С. После чего температура неуклонно повышается до 130 °С, при этом происходит сушка при высокой температуре, содержание влаги снижается практически до нуля. Данный этап важен с точки зрения дальнейшего качественного проведения процесса термообработки. Под действием высоких температур древесина становится эластичной и ее сопротивление деформации значительно улучшается.
Фаза 2. Термообработка. После сушки температура внутри камеры увеличивается до 180-220 °С. Фаза термообработки производится непосредственно после фазы высокотемпературной сушки. Пар в качестве защитной среды не допускает горения древесины. По достижении необходимого уровня температура остается неизменной на два-три часа, в зависимости от конечного назначения изделия.
Фаза 3. Охлаждения. На последнем этапе температура в камере снижается. При этом работает система водяного орошения. Конечная влажность древесины играет существенную роль для ее эксплуатационных характеристик — пересушенную древесину сложно обрабатывать. Поэтому при снижении температуры до 80-90 °С древесина снова увлажняется для того, чтобы содержание влаги в ней дошел до приемлемого уровня 5-7%. В зависимости от породы древесины и температуры термообработки фаза охлаждения длится 5-15 часов. При проведении процесса термомодификации древесины общая тепловая потребность всего на 25% выше, чем при обычной сушке пиломатериалов. Затраты электрической энергии такие же, как и при обычной сушке древесины.
Оборудование для производства
Технологический процесс предусматривает применение воды, пара и высоких температур. Вследствие наличия данных параметров, а также благодаря составляющим компонентам, что выделяется из древесины в процессе термообработки, в камере создается коррозионно-активная среда. Поэтому оборудование для термообработки рекомендуется изготавливать из нержавеющей стали.
Термическая обработка древесины происходит в специальной сушильной камере с хорошей теплоизоляцией и герметичностью. Конструктивно камера для термообработки выполнена в виде автоклава с плотно прилегающими дверями для загрузки обрабатываемого материала; она может выглядеть как обычная конвективная сушильная камера, однако с более высокой герметичностью ограждающих конструкций. Основными параметрами камеры термообработки есть габаритные характеристики, объем загрузки, климатические требования, мощность. Камеры термообработки изготавливают небольшого объема загрузки, обычно 3-12 м3 древесины. Укладка пиломатериалов в штабель на прокладки проводится аналогично как и при обычной камерной сушке. Загрузка штабеля происходит на тележках по рельсовому пути (обычно вручную, так как вес штабеля небольшая).
Для теплоснабжения процесса термообработки в камерах используются системы масляного отопление (что сжигают мазут, газ). Также применяются другие решения, например, теплоснабжения от электрокалориферов. Система вентиляции также схожа с конвективными камерами: вентилятор, обдувая теплообменники, или электрокалорифер снимают тепло и переносят в штабеля обрабатываемого материала. Оборудование камеры термообработки должна предусматривать парогенератор. Современные системы проведения технологических процессов оснащаются высокоинтеллектуальными системами автоматического управления и камеры для термомодификации древесины — не исключение. В контроллер записываются на различные режимы обработки по которым и производится процесс без вмешательства человека. К дополнительному оборудованию можно отнести систему утилизации отходов технологического процесса.
Классы термообработки
От уровня температуры зависит то, каким свойствами получит продукт. В зависимости от сферы применения древесины уровень обработки можно тщательно оптимизировать. Так, финская ассоциация Thermowood выделяет два класса отделки — Thermo S (от англ. Stability — стабильность) и Thermo D (от англ. Прочность — прочность). Ключевыми свойствами данных классов есть размерная стабильность при перепадах влажности и температуры окружающей среды (Thermo S), или очень высокая устойчивость к гниению (Thermo D). В классе Thermo S обработка проводится при температуре 185-190 °С. В классе Thermo D обработка проводится при температуре 215-220 °С.
Кроме указанных классов также проводят обработку на более низких температурах (160-180 °С). При этом никаких значительных изменений физических свойств в металле не происходит. Главное назначение этого режима — предоставить декоративные свойства древесине: ее цвет темнеет, приобретает коричневый, красноватый или желтоватый оттенок. Дешевые, распространенные породы дерева приобретают вид дорогих.