Ще в давнину людина звернула увагу на зміну властивостей деревини під впливом високих температур. Не випадково дерев’яні клітки загороджувальних споруд та оборонних фортець в Київській Русі обов’язково обпалювали, продовжуючи тим самим їхній строк служби.
Перші дослідження з поліпшення якості деревини і зміни її властивостей шляхом термообробки були проведені ще в 30-40-х роках XX століття в Німеччині та Сполучених Штатах. Однак новітні дослідження і промислове виробництво термообробленої деревини почалися лише в 1990-і роки. Чималу роль зіграли високий попит на вироби з дерева, нестримне зростання цін на природну сировину, а також прагнення зберегти ліси планети і не дати зникнути рідкісним екзотичним породам.
Вибір деревини
Для термомодіфікаціі (Thermally Modified Timber – термічно оброблена деревина) може бути використана як свіжозрубана, так і висушена деревина. Якщо процес почати зі свіжезрубленої деревини, то її можна висушити в сушильній камері, а потім провести термічну обробку.
Термічно можна обробляти деревину як м’яких, так і твердих порід дерева: сосна, ялина, ялиця, кедр, береза, осика, дуб, ясен, модрина, вільха, бук, клен, липа та ін. Найбільшим попитом користується деревина м’яких порід, на чию частку припадає 88% споживання. Дана статистика свідчить про популярність використання термодревини у зовнішньому середовищі (фасади, природоохоронні конструкції тощо), де застосовуються сосна і ялина. Основною перевагою твердих порід є їх колір і якість поверхні, тому вони використовуються в інтер’єрі у вигляді підлогових покриттів, оздоблювальних стінових матеріалів або інших елементів декору. Для кожної деревної породи технологія (режим обробки) оптимізується окремо.
Зміна структури і хімреакцій
В результаті термічної обробки структура деревини змінюється. Нагрівання змінює ряд її хімічних і фізичних властивостей. На рис. 1 і 2 показані відмінності між структурою звичайної необробленої сосни та термообробленої.
Перед тим як описати процеси, що відбуваються при термічній обробці деревини, необхідно вказати, що основними складовими оболонки клітин деревини є целюлоза (40-58%), геміцелюлоза (15-38%) , лігнін (20-50 %) і екстрактивні речовини (0,8- 6,9%). Целюлози відповідає за механічну міцність і еластичність клітини. Геміцелюлоза є своєрідною цементуючою сполукою в клітинних стінках. Лігнін – це органічна полімерне з’єднання, що викликає одеревіння клітинних оболонок.
З нагріванням деревини при малих температурах спочатку випаровуються екстрактивні речовини – терпени, віск , фенол, жири. Вони не є структуротворними і видаляються дуже легко. Під дією більш високих температур (150 °С і вище) розкладається геміцелюлоза. В результаті відбувається зникнення живильного середовища для грибків і бактерій, зменшення обсягу матеріалу, зниження рівня його внутрішніх напружень і здатність до водопоглинання. У міру подальшого підвищення температури починають відбуватися структурні зміни і з целюлозою: деревина в ще більшій мірі втрачає здатність вбирати вологу і ,відповідно, менше піддається деформації. Крім того вона, як правило, стає твердішою, але в незначній мірі втрачає еластичність чи міцність на вигин. Для заготовок деревини різної товщини існують певні режими обробки. Так само як і при сушінні деревини, чим менше їх товщина, тим легше проходить процес модифікації.
Головна особливість термодревини як кінцевого продукту полягає в поєднанні високих фізико-механічних властивостей. Необхідно відзначити, що за своїми характеристиками термодеревина являє собою поєднання якісних властивостей хімічно обробленої деревини з екологічністю природної деревини.
Технологія термообробки
Обробка деревини проводиться в середовищі пересиченої водяної пари, при температурах понад 180 °С. Забезпечуючи захист, пар також впливає на хімічні зміни деревини. Слід відзначити важливий фактор: при термічній обробці не використовують ніяких хімічних добавок або яких-небудь речовин, окрім води і дерева, отже, в результаті такої обробки деревина залишатися екологічно чистим матеріалом. Технологічний процес не вимагає якихось значних обсягів стічних вод. Екстрактивні речовини, що виділяються з деревини, виводяться з камери у вигляді водного розчину і відокремлюються у спеціальному відстійнику.
Процес термічної обробки можна розділити на три фази (рис. 3).
Фаза 1. Нагрівання і сушка. Відбувається підвищення температури середовища та сушка деревини при високій температурі. За допомогою тепла і пари температура в камері інтенсивно піднімається приблизно до 100 °С. Після чого температура неухильно підвищується до 130 °С, при цьому відбувається сушка при високій температурі, вміст вологи знижується практично до нуля. Даний етап важливий з точки зору подальшого якісного проведення процесу термообробки. Під дією високих температур деревина стає еластичною і її опір деформації значно поліпшується.
Фаза 2. Термообробка. Після сушіння температура всередині камери збільшується до 180-220 °С. Фаза термообробки проводиться безпосередньо після фази високотемпературної сушки. Пар в якості захисного середовища не допускає горіння деревини. По досягненні необхідного рівня температура залишається незмінною на дві-три години, залежно від кінцевого призначення виробу.
Фаза 3. Охолодження. На останньому етапі температура в камері знижується. При цьому працює система водяного зрошення. Кінцева вологість деревини відіграє істотну роль для її експлуатаційних характеристик – пересушену деревину складно обробляти. Тому при зниженні температури до 80-90 °С деревина знову зволожується для того, щоб вміст вологи в ній дійшов до прийнятного рівня 5-7%. Залежно від породи деревини і температури термообробки фаза охолодження триває 5-15 годин. При проведенні процесу термомодіфікаціі деревини загальна теплова потреба всього на 25% вища, ніж при звичайному сушінні пиломатеріалів. Витрати електричної енергії такі ж, як і при звичайній сушінні деревини.
Устаткування для виробництва
Технологічний процес передбачає застосування води, пари і високих температур. Внаслідок наявності даних параметрів, а також завдяки складовим компонентам, що виділяється з деревини в процесі термообробки, в камері створюється корозійно-активне середовище. Тому обладнання для термообробки рекомендується виготовляти з нержавіючої сталі.
Термічна обробка деревини відбувається в спеціальній сушильній камері з доброю теплоізоляцією і герметичністю. Конструктивно камера для термообробки виконана у вигляді автоклава з щільно прилягаючими дверима для завантаження оброблюваного матеріалу; вона може виглядати як звичайна конвективна сушильна камера, однак з більш високою герметичністю огороджувальних конструкцій. Основними параметрами камери термообробки є габаритні характеристики, обсяг завантаження, кліматичні вимоги, потужність. Камери термообробки виготовляють невеликого обсягу завантаження, зазвичай 3-12 м3 деревини. Укладання пиломатеріалів у штабель на прокладки проводиться аналогічно як і при звичайній камерній сушці. Завантаження штабеля відбувається на візках по рейковому шляху (зазвичай вручну, так як вага штабеля невелика).
Для теплопостачання процесу термообробки в камерах використовуються системи масляного опалення (що спалюють мазут, газ). Також застосовуються інші рішення, наприклад теплопостачання від електрокалориферів. Система вентиляції також схожа з конвективними камерами: вентилятор, обдуваючи теплообмінники, або електрокалорифер знімають тепло і переносять до штабеля оброблюваного матеріалу. Устаткування камери термообробки має передбачати парогенератор. Сучасні системи проведення технологічних процесів оснащуються високоінтелектуальними системами автоматичного управління і камери для термомодіфікаціі деревини – не виняток. В контролер записуються різні режими обробки по яких і проводиться процес без втручання людини. До додаткового обладнання можна віднести систему утилізації відходів технологічного процесу.
Класи термообробки
Від рівня температури залежить те, яким властивості отримає продукт. Залежно від сфери застосування деревини рівень обробки можна ретельно оптимізувати. Так, фінська асоціація Thermowood виділяє два класи обробки – Thermo S (від англ. Stability – стабільність) і Thermo D (від англ. Durability – міцність). Ключовими властивостями даних класів є розмірна стабільність при перепадах вологості та температури навколишнього середовища (Thermo S), або дуже висока стійкість до гниття (Thermo D). У класі Thermo S обробка проводиться при температурі 185-190 °С. В класі Thermo D обробка проводиться при температурі 215-220 °С.
Крім зазначених класів також проводять обробку на більш низьких температурах (160-180 °С). При цьому ніяких значних змін фізичних властивостей в деревині не відбувається. Головне призначення цього режиму – надати декоративні властивості деревині: її колір темніє, набуває коричневий, червонуватий або жовтуватий відтінок. Дешеві, поширені породи дерева набувають вигляду дорогих.
Властивості термодревини
Термомодифікована деревина набуває такі властивості:
1. Довговічність. Термообробка істотно (в 15-25 разів) підвищує біологічну довговічність матеріалу (стійкість до біологічних впливів).
2. Гігроскопічність. Термообробка призводить до зменшення рівноважної вологості матеріалу в середньому на 40-50% по відношенню до необробленої деревині і суттєво зменшує проникнення води (в 3-5 разів). Поверхня термодерева НЕ пориста, а щільна, що знижує його здатність вбирати вологу з повітря.
3. Теплопровідність. У термодревини цей показник на 20-25% нижчий в порівнянні із звичайною деревиною, що дає можливість краще зберігати тепло в дерев’яних будинках.
4. Розмірна стабільність. Термодеревина має стабільність розмірів при перепадах температури і вологості навколишнього середовища.
5. Естетичні властивості. Однорідна зміна кольору (різних відтінків) по всій товщині. Можливість отримання деревиною благородного відтінку зістареного дерева. При обробці ефектно проявляється структура деревини, підвищуються її декоративні властивості. Недорогим породам деревини можливо надати зовнішнього вигляду цінних порід.
Практичне застосування
Унікальні технологічні властивості (основні – довговічність, низька гігроскопічність і розмірна стабільність) термодеревини роблять можливим її застосування в різних сферах.
Завдяки широким естетичним можливостям матеріал часто використовується дизайнерами для внутрішньої обробки. Стабільність геометричних розмірів термодеревини і стійкість до зовнішнього середовища (не боїться води і змін температурного режиму) сприяє її використанню у виробництві меблів, віконних рам, дверей, паркетної дошки. При виготовленні меблів можлива імітація деревини цінних порід. Крім цього, при механічних пошкодженнях меблі з термодеревини не вимагають підфарбовування через однорідність кольору по всьому перерізу матеріалу. У виробництві вікон оброблена деревина не потребує додаткового захисту і багаторазового фарбування протягом багатьох років експлуатації.
Один з напрямків використання термодревесини – це конструкційний матеріал для вуличного застосування. Наприклад, зовнішнє облицювання фасадів, якому не страшні ні коливання температури, ні вологість (сніг, дощ). Висока стійкість до гниття, резистентність до впливу грибків та шкідників дозволяють використовувати деревину у вигляді терасної дошки і садових доріжок. Термодревесіна відмінно підходить для обшивки саун і лазень. Деревина практично не вбирає вологу, не виділяє смолу. Крім того, утримуючи тепло, сама по собі вона істотно менше нагрівається, що робить перебування в парній більш комфортним.
Термодеревина не має рівних собі у жорстких умовах експлуатації. Наприклад, при обробці яхт як палубна дошка чи обшивка елементів інтер’єру. Практично 100%-ва вологість, пекуче сонце і вітер термодеревині не страшні. Стійкість до вологи дає можливість використовувати її як облицювальний матеріал, що знаходиться в безпосередній близькості з водою: територія поруч із басейном, інтер’єр аквапарку, ванн, штучних водоймищ тощо.
Що в перспективі
З термообробленої деревини можуть виготовлятися комплектуючі, музичні інструменти, домашні речі, малі архітектурні форми, садово-паркові конструкції тощо.
Використання дерева в будівництві стає все більш затребуваним. Донедавна природні недоліки деревини як будівельного матеріалу усувалися за допомогою хімічної обробки. В результаті виходив продукт, що має вигляд дерева, але аж ніяк не є зразком екологічної чистоти. У зв’язку з цим в Євросоюзі на початку 2004 року було введено заборону на використання хімічно-обробленого дерева. Таким чином, сьогодні термодеревина є вельми затребуваним і актуальним екологічно чистим будівельним матеріалом.
Використання термодеревини в якості матеріалу для несучих конструкцій в наш час є одним з пріоритетних напрямків наукових досліджень. В даний час рішення знайдено у вигляді композитного клеєного бруса (клеєний термобрус), що об’єднує ламелі з модифікованої і звичайної деревини. Функції термодеревини полягають у підтримці стабільності розмірів та протидія впливу зовнішнього середовища, а центральні ламелі з необробленого матеріалу служать для надання необхідної міцності.
Крім клеєного бруса на ринку є інший конструкційний матеріал – термічно оброблений масивний (профільований) брус. Одним з перспективних напрямків термомодіфікаціі деревини можна вважати переробку і використання низькоякісної деревини, зокрема берези.
