ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ

Изменение цвета разных пород дерева при термировании

В 1990-е гг. в Финляндии, Франции и Нидерландах проводились новейшие исследования по термообработке древесины. Самый же значительный практический вклад был внесен Институтом Природоохранных Технологий и Государственным Исследовательским Центром VTT в Финляндии.

На основании методики, разработанной VTT, была создана технология термообработки древесины (Thermowood ^(TM)). Древесина нагревается до температуры не менее 180 градусов Цельсия и при этом защищается паром. Обеспечивая защиту, пар также влияет на химические изменения древесины. В результате появляется высокоэкологичная древесина, прошедшая термообработку. Ее цвет темнее, в отличие от обычной древесины она более стабильно реагирует на изменения уровня влажности, а ее теплоизоляционные характеристики при этом существенно улучшены. Будучи проведенной при достаточно высоких температурах, обработка также повышает сопротивляемость дерева гниению.

Технология термообработки древесины в масштабе промышленного производства была разработана VTT совместно с финскими деревопромышленниками. Технологический процесс термообработки древесины имеет лицензию соответствующей финской ассоциации.

Технологию термообработки древесины можно разделить на три основные фазы:

1. Фаза 1 Повышение температуры и сушка при высокой температуре

   Посредством тепла и пара температура в печи стремительно поднимается приблизительно до 100ºC. После чего температура неуклонно повышается до 130ºC, при этом происходит сушка при высокой температуре, содержание влаги снижается почти до нуля.

 

2. Фаза 2 Термообработка

   После высокотемпературной сушки температура внутри печи повышается до 185ºC -215ºC. По достижении необходимого уровня температура остается неизменной на 2 - 3 часа в зависимости от конечного назначения изделия.

 

3. Фаза 3 Охлаждение и регулировка влажностного режима

   ТНа окончательном этапе температура снижается при помощи системы водяного орошения; когда температура доходит до 80 - 90ºC, древесина снова увлажняется с тем, чтобы содержание влаги дошло до приемлемого уровня 4 - 7%.

При увеличении или снижении температуры применяется специальная система регулирования – для предотвращения растрескивания поверхности и внутренних слоев древесины. Значения корректируются и регулируются в зависимости от сорта древесины и размеров.
В качестве сырья может быть использована как свежесрубленная, так и высушенная в печи древесина. Если начать со свежесрубленной древесины, ее можно высушить при помощи технологии скоростной высокотемпературной сушки. Эта методика подходит и для мягких, и для твердых пород дерева. Однако для каждой древесной породы технология оптимизируется отдельно.

Изменение структуры древесины и химические реакции

В результате термообработки структура древесины меняется. На приведенных выше рисунках показаны различия между структурой обычной необработанной сосны и сосны, подвергнутой термообработке.

Нагрев древесины меняет ряд ее химических и физических свойств. Изменение свойств, главным образом, вызывает термодеструкция гемицеллюлозы. Желаемые изменения начинают появляться уже при температуре 150ºC и не прекращаются по мере постепенного увеличения температуры. В результате происходит снижение уровней разбухания и уменьшения, долговечность улучшается, цвет темнеет, некоторые экстрактивные вещества выходят, древесина становится темнее, снижается уровень равновесной влажности, снижается уровень кислотности «pH», а термоизоляционные свойства улучшаются.

Стандартная классификация термообработки древесины

Существует два класса термообработки. При стандартном классе термообработки древесины разбухание и сжатие из-за влаги, изменение цвета, а также долговечность подчеркиваются как ключевые свойства.

Поскольку соответствующий материал для поставки промышленным клиентам проходит термообработку в соответствии с договоренностью между покупателем и изготовителем, уровень обработки можно тщательно оптимизировать в зависимости от конечной области применения. В этом случае материал будет подвергнут термообработке, не будучи распределенным по категориям в соответствии со стандартной схемой классификации обработки.

Стандартные классы термообработки древесины

Термообработка древесины предусматривает два стандартных класса обработки, «Thermo S» и «Thermo D».

«Thermo S»
«S» в данном термине означает «стабильность». Наряду с внешним видом стабильность является ключевым свойством для конечных областей применения соответствующей продукции, прошедшей данный тип обработки.
Рекомендуемые области конечного применения для древесины, прошедшей термообработку класса « Thermo S »:

«Thermo D»

«D» в данном термине означает «долговечность». Наряду с внешним видом долговечность является ключевым свойством для конечных областей применения соответствующей продукции, прошедшей данный тип обработки.
Рекомендуемые области конечного применения для древесины, прошедшей термообработку класса « Thermo D»:

Сырье
Качество сырья играет существенную роль для качества конечного продукта, прошедшего термообработку. В принципе термообработке можно подвергать любые породы древесины. Однако, используемые в технологии параметры следует корректировать и оптимизировать каждый раз в зависимости от породы древесины. Термообработке подвергаются такие сорта древесины, как сосна (Pinus sylvestris), ель (Picea abies), береза (Betula pendula) и осина (Populus tremula). Кроме того, уже имеется опыт термообработки сосны «Radiata» (Pinus radiata), ясеня (Fraxinus excelsior), лиственницы (Larix sibirica), ольхи (Alnus glutinosa), бука (Fagus silvativa) и эвкалипта.

Технология термообработки древесины
Технология термообработки предусматривает применение воды, пара и высоких температур. Оборудование для термообработки изготавливается из нержавеющей стали.

Сушка является наиболее продолжительным этапом термообработки. Во время этой фазы содержание влаги в древесине снижается почти до нуля перед началом фазы термообработки. Продолжительность фазы сушки зависит от изначального содержания влаги в древесине, породы дерева, а также толщины.

Термообработка древесины осуществляется в закрытой камере, температура внутри которой поднимается до 185 - 215ºC в зависимости от уровня обработки. Пар применяется при сушке и термообработке в качестве защитной среды. Защитная среда не допускает горения древесины, а также влияет на химические изменения, происходящие в древесине. Фаза термообработки занимает 2 - 3 часа.

После термообработки производится закаливание. Древесина охлаждается, при этом процесс тщательно контролируется, чтобы довести уровень содержания влаги до необходимого для конечной области применения значения. Окончательный уровень содержания влаги древесины играет существенную роль для ее эксплуатационных характеристик – со слишком сухим деревом работать тяжело. После закаливания окончательный уровень влагосодержания древесины должен составлять 5 – 7%. В зависимости от температуры термообработки и сорта древесины закаливание занимает 5 – 15 часов.

Природоохранные мероприятия
Поскольку не требуется никаких химикатов, а только вода и тепло, технологический процесс термообработки древесины относится к экологически чистым.
После термообработки древесина содержит значительно меньше гемицеллюлозы. В результате существенно снижается объем материала, чувствительного к грибку, обеспечивая еще одну предпосылку для улучшения устойчивости подвергнутой термообработке древесины к разрушению под воздействием грибка по сравнению с мягкими породами дерева, высушенными в обычной печи.
Подвергнутая термообработке древесина была испытана в качестве костного суррогата (VTT и Хирургическая клиника при госпитале университета г. Турку). Предварительные испытания показали хорошие результаты: подвергнутая термообработке береза имеет свойства, аналогичные свойствам кости. Подвергнутая термообработке древесина чиста, никаких токсичных веществ в ней не обнаружено.

Физические изменения

Плотность
Подвергнутая термообработке древесина имеет меньшую плотность, чем необработанная древесина. Это происходит главным образом из-за изменений массы образца при обработке по мере того, как древесина теряет вес.

Прочность
Прочность древесины в целом тесно связана с плотностью, и подвергнутая термообработке древесина имеет несколько меньшую плотность после обработки. Таким образом, очевидно, что обработанная древесина в некоторых случаях менее прочна. Прочность древесины также в значительной степени зависит от содержания влаги и его относительного уровня ниже точки насыщения волокна. Преимущество в данном случае может заключаться в более низкой равновесной влажности обработанной древесины.

Твердость
Результаты испытаний твердости показали, что как и для всех пород дерева, твердость в значительной мере зависит от плотности.

Равновесная влажность
Термообработка древесины, очевидно, снижает равновесную влажность и при высоких температурах (220°C) равновесная влажность составляет около половины от соответствующего значения необработанной древесины.

Разбухание и сжатие из-за влаги
Термообработка существенно снижает радиальное разбухание и разбухание в касательном расслоении Эффект термообработки с точки зрения снижения уровня разбухания и сжатия древесины отчетливо показан в отношении конечного продукта. Подвергнутая термообработке древесина не испытывает нагрузки при высыхании. Это является очевидным преимуществом, заметным, например, при расщеплении материала и изготовлении столярной продукции. Кроме того, уровень разбухания и сжатия древесины очень низок.

Проницаемость
Это свойство важно, например, для окон. Водопроницаемость подвергнутой термообработке древесины была проверена «CTBA». Образцы были погружены в обессоленную воду и оставлены в помещении при относительной влажности 65% и температуре 20°C. В течение 9 дней образцы периодически взвешивались. Заключение было следующее: за короткий срок водопроницаемость подвергнутой термообработке ели была на 20–30 процентов ниже, чем у ели, высушенной в обычной печи.
Проницаемость была определена после того, как испытательные образцы в течение 72 часов вымачивались в воде, при этом торцевые поверхности были заизолированы. Необработанная ель дала содержание влаги 22%, в то время, как содержание влаги древесины, обработанной при 195°C и при 210°C, составило около 12% и 10% соответственно.

Теплопроводность
Испытания показали, что теплопроводность подвергнутой термообработке древесины снизилась на 20–25% по сравнению с мягкими породами дерева, высушенными в обычной печи. Таким образом, технология термообработки древесины может пригодиться для наружных дверей, облицовки, окон и саун.

Меры пожарной безопасности
Можно утверждать, что подвергнутая термообработке древесина не отличается существенно от обычной древесины, когда речь заходит о пожарной безопасности. Класс огнестойкости – D.

Долговечность
Силами VTT были проведены испытания с целью установления долговечности подвергнутой термообработке древесины. Одно из испытаний было проведено при контакте с грунтом, при этом время испытания составило 8, 16, 24, и 32 недели. Для испытания использовались грибки «Coniophora puteana» и «Poria placenta», поскольку они считаются наиболее распространенными и проблематичными грибками. Результаты выявили поразительную способность подвергнутой термообработке древесины сопротивляться разрушению. Практический опыт показывает, что использование «Thermo D» в конструкциях, предусматривающих глубокий контакт с почвой, но не играющих существенной роли для эксплуатационных характеристик сооружения в целом, вкупе с периодическим просушиванием поверхностей не вызывает сколько-нибудь существенной порчи материала. Это особенно очевидно, когда обеспечен эффективный дренаж почвы, а сам грунт включает песок и галечник.

Сопротивляемость насекомым
Испытания проводились «СТВА» во Франции. Жуки «Longhorn» встречаются в оболони мягких пород дерева. Обычный мебельный жук (Anobium punctatum) «любит» в частности твердые породы дерева. Lyctus Bruneus встречается в некоторых твердых породах дерева. Испытания показали, что подвергнутая термообработке древесина оказалась устойчивой ко всем трем.
Испытания, проведенные в Университете г. Куопио, также подтвердили хорошую сопротивляемость подвергнутой термообработке древесины насекомым и жукам. Отчет об испытаниях заключает, что жуки распознают сосну по ее терпеновым выделениям, которую считают подходящим местом для кладки яиц. Поскольку по сравнению с обычной древесиной терпеновые выделения подвергнутой термообработке древесины резко сокращаются, можно ожидать, что жуки по мере возможности выберут обычную древесину. То же может быть применимо и к термитам.

Стойкость против атмосферных воздействий без обработки поверхности

Дождь
Для установления эксплуатационных характеристик подвергнутой термообработке древесины в естественных погодных условиях были проведены различные испытания. Материал, обработанный при температуре 225°C в течение 6 часов, имел содержание влаги вдвое меньше, чем необработанная древесина; эта разница сохранилась и через пять лет воздействия естественных условий.
Как и со всеми материалами, подвергнутыми воздействию естественных атмосферных условий, на поверхности подвергнутой термообработке древесины может наблюдаться рост плесенного грибка. Из-за бактерий в воздухе или в грязи, переносимых дождем, грибок может появиться на необработанной поверхности. Однако это наблюдается только на поверхности, и его можно удалить – стереть или соскрести.
Солнечный свет
Испытания в условиях эксплуатации проводились для измерения устойчивости
подвергнутой термообработке древесины к воздействию солнечного света (ультрафиолетового излучения). Как и большинство натуральных материалов, такая
древесина не в состоянии сопротивляться ультрафиолетовому излучению. В результате
цвет через некоторое время меняется от изначального коричневого до серого при
воздействии прямых солнечных лучей.
Оригинальный цвет можно сохранить при помощи консервантов, содержащих пигмент, или консервантов с UV-фильтром.
Цвет
На цвет обработанной по технологии Thermowood® древесины влияют температуры и время обработки. Чем выше температура, тем темнее получается древесина. Как и у мягких пород дерева, на цвет влияют обычные изменения из-за плотности, а также возраст древесины. Цвет в процессе обработки можно воспроизвести.

Работа с термодеревом на промышленных предприятиях

Распиловка
Внутреннее давление древесины снимается при соответствующем технологическом процессе термообработки, и таким образом после разделения кусков древесины, никакой деформации не происходит.

Строгание
Прошедшая термообработку древесина вызывает меньше трения при врезании и способствует более плавному процессу строгания. По имеющимся данным станки (режущие и прочие поверхности) остаются чистыми после работы с прошедшей термообработку древесиной, благодаря предельно низкому содержанию смол. При помощи подвергнутой термообработке древесины можно даже очистить станок от содержащей смолу пыли, оставшейся от предыдущей партии древесины.

Фрезерование
Фрезерование подвергнутой термообработке древесины аналогично работе с жесткими и ломкими твердыми породами дерева. По сравнению с обычной древесиной резцы  станков изнашиваются медленнее.

Склеивание и соединение в промышленных условиях

Склеивание
При склеивании материалов из термодерева надлежит в точности следовать соответствующим инструкциям изготовителей клеевых составов. Опыты на одной из фабрик, где в качестве сырья применялась прошедшая термообработку сосна, были успешными. И меламино-формальдегидно-полимерные, и резорцинно-формальдегидно-полимерные клеящие составы работали нормально. Использовались обычные производственные параметры (время сжатия, давление, и т.д.). Со штифтовыми соединениями применялся клей на основе меламино-формальдегидного полимера.
При работе с клеящими поливинилацетатными составами содержание воды в клее должно быть сведено к минимуму. Вода может поглощаться либо из древесины, либо из окружающего воздуха. Требуемый объем влаги зависит от клея, но если и древесина, и воздух сухие, существует риск плохого склеивания.

Механические соединения
Раскалывания или растрескивания материала можно избежать при использовании самонарезающих винтов и винтов с потайными головками или с предварительным просверливанием отверстий.
Винты выбираются в зависимости от конечной цели применения. Для наружного применения и аналогичных условий рекомендуется использовать винты из нержавеющей стали.
Хорошие результаты дает применение пневматического гвоздезабивного станка. Особое внимание надлежит уделять давлению и длине вбивания.
Наиболее ответственные соединения и детали изделий рекомендуется испытать непосредственно перед производством. Крупные сучки (особенно это актуально для размера поперечного сечения) всегда являются фактором риска для обработанной по технологии Thermowood® древесины, поскольку в ней недостаточное содержание смол, которые в обычной древесине ведут себя как связка или сцепление между сучком и прилегающими участками.
Лучшая формоустойчивость подвергнутой термообработке древесины позволяет проектировать соединения с меньшими допусками по сравнению с обычной древесиной.