Модифицирование древесины, целенаправленное изменение свойств древесины. В результате модифицирования механическая прочность древесины повышается не менее чем в 3 раза, водостойкость в 2-3 раза, химическая стойкость в 3-4 раза. Благодаря этому в переработку вовлечена не только деловая древесина, но и древесина низкого качества, особенно мягких лиственных пород (ольха, осина, береза, бук, клен). Модифицированию подвергают обычно заготовки (доски, брусья, пластины, ролики, втулки, кольца и др.), высушенные до влажности 8-25%. Модифицированную древесину применяют для изготовления паркета, деталей мебели, музыкальных инструментов, литейных моделей, ткацких станков и шпулек, элементов наголовников, используемых при забивке свай, как заменитель черных и цветных металлов в деталях машин, эксплуатируемых в узлах трения, и др.

Физические методы модификации заключается в прессовании древесины поперек волокон и введении в нее инертных материалов, не проникающих в клеточные стенки. Химические методы вызывают изменения состава и свойств материала клеточных стенок за счет пропитки древесины мономерами, олигомерными и полимерными веществами. Например, прессование древесины после предварительного пропаривания, нагревания и обработки щелочами увеличивает ее плотность до 1200-1300 кг/м³, прочность, жесткость, твердость, ударную вязкость и, соответственно, изностойкость.

В результате модификации получается недорогой материал с новыми технологическими свойствами, позволяющими использовать его в машиностроении для создания эффективно работающих деталей и узлов.

Модифицирование древесины проводится не только для повышения значений ее механических и эксплуатационных свойств. Обработка щелочами в присутствии воды улучшает ее декоративность, так как ее цвет меняется от светло- до темно-коричневого (для отдельных пород до черного).

Применение для этих целей уксусного ангидрида (ацетилирование) дает возможность одновременно повысить биостойкость, снизить влаго- и водопоглощение, повысить стабильность формы изделия в условиях меняющейся влажности. По внешнему виду ацетилированная древесина практически не отличается от натуральной и механические свойства тоже остаются прежними.

Модифицированная древесина применяется не только в машиностроении, но и в судостроении, строительстве и в других областях человеческой деятельности.

Защита древесины: антисептики и антипирены

В настоящее время существует множество препаратов для защиты древесины, а том числе импортных, стоимость которых достаточно высока. Однако защита древесины от биологических, термических и прочих разрушений всегда затратна для производителя, и вкладывать большие средства для решения этой проблемы зачастую считается неэффективным. Так, практика показывает, что при богатых лесных ресурсах проще, допустим, поменять столбы линий электропередач один раз в семь лет, чем обрабатывать их антисептиками и тем самым продлить срок их службы до сорока лет, несмотря на то что для замены потребуется миллиарды кубометров леса. Но подобный экстенсивный метод не всегда оправдан, поэтому особенности обработки защитными.

1.1 Антисептики: защита от гниения

Препараты для защиты древесины материалов подразделяется на два основных типа: антисептики и антипирены.

Антисептики- это вещества, защищающее древесины от различных биоагентов разрушения, в число которых входят грибы, вирусы, гнилостные агенты, насекомые и другие биологические организмы. Декоративные покрытия, к которым относятся лаки и краски, также обладают защитными свойствами, однако их основная функция – колеровать или тонировать древесину. Поэтому они зачастую комбинируются с собственно защитными покрытиями. Единственное условие – одноосновность составов. Это означает, что алкидные краски или лаки должны сочетаться с органорастворимыми антисептиками, а воднодисперсионные – соответственно, с пропитками на водой основе.

Существует несколько видов биопрепаратов – антисептиков, наиболее часто применяемым в бытовых условиях: в том числе, защитные и очищающие.

Собственно защитные покрытия предназначены для биозащиты внутренних и наружных поверхностей деревянных конструкций зданий и сооружений. Они надежно предохраняют древесину от деревоокрашивающих, плесневых и дереворазрушающих грибов, распространенных в нашей климатической зоне. Эти препараты могут быть как бесцветными, так и тонирующими, в том числе в цвета ценных пород древесины. Такие составы не препятствуют естественному дыханию древесины, придают гидрофобные свойства поверхности, устойчивы по отношению к действию атмосферы и ультрафиолету, является экологически безопасными.

В тех случаях, когда повреждение под воздействием различных биоагентов разрушения уже произошло, используется очищающие покрытия. К ним относятся, в частности, препараты для снятия грибных окрасок с поверхности лесоматериалов пораженных плесневыми и некоторыми окрашивающими грибами, ухудшающими товарный и эстетический вид лесоматериалов. Эти препараты наносятся с помощью кисти либо губки один или насколько раз в зависимости от степени поражения грибами, до полного уничтожения грибами, до полного уничтожения окрасок. Однажды использованные, они в течение некоторого времени выполняют роль защитных покрытий.

По степени стойкости защитные материалы делятся на трудновымываемые и невымываемые.

Трудновымываемые препараты используются для длительной защиты древесины в условиях интенсивного увлажнения дождевой, конденсационной и почвенной водой, т.е. в наиболее тяжелых условиях, когда биологическое разрушение неодолимо. Они могут применяться и для наружных, и для внутренних работ, поскольку не выделяют в окружающую среду вредных соединений, но обладают эффектом отпугивания насекомых. При обработке этими препаратами древесина окрашивается в желтый цвет.

После выдержки в течении 7 – 14 дней вещество переходит в нерастворимую форму, образуя трехслойную защитную оболочку на древесине. Наружная зона – нерастворимые и, таким образом, невымываемые соединения. Вторую, достаточно плотную, зону формируют частично растворимые соединения. Последний слой состоит из водорастворимых соединений, обладающих высокой диффузионной способностью. При последующих увлажнениях эти компоненты самозаглубляются, стерилизуя древесину.

Препараты можно вводить в древесину любым из известных способов. При однократной обработке поверхности расход препарата составляет 200 – 250 г/м для настроганной поверхности и 100 г/м для строганной. Для обеспечения капитальной защиты в наиболее тяжелых условиях поглощение препарата должно быть не менее 6 кг/м древесины. В таком случае даже в наиболее тяжелых условиях срок службы увеличивается в 2 – 3 раза по сравнению с незащищенной древесиной.

Невымываемые препараты для особо длительной влагобиозащиты древесины применяются тогда, когда древесина эксплуатируется в предельно неблагоприятных условиях, что подразумевает постоянный контакт с почвой, водой, химически агрессивной средой. Они могут быть использованы для защиты деталей парных и бань, гидротехнических конструкций, наружных и внутренних элементов зданий и сооружений. В качестве примера можно привести составы алкидной или алкидно-масляной основе, специально созданные для обработки корпусов лодок, яхт и т. п. Эти вещества обладают, кроме того, и альгицидным (противоводорослевым) действием.

Невымываемые препараты быстро проникают в древесину, не окрашивая ее. Они не препятствуют последующему склеиванию и окрашиванию. Эти вещества отпугивают насекомых, но в целом считаются экологически безопасными.

В древесину они вводятся любыми из известных способов, включая поверхностную обработку. При этом расход препарат должен составлять 250-3—г/м для нестроганой поверхности и 100-15- г/м для строганной.

Антипирены: защита от огня

Помимо антисептиков широко распространены антипирены.

Антипирены защищают древесину от термических разрушений при высоких температурах. Химические соединения, входящие в их состав, подобраны по принципу взаимодополняющего действия и посредством химических реакций, происходящих между ними, создают композиции, препятствующие возгоранию.

Антипирены представляют собой класс вещества, которые под действием температуры выделяют негорючие соединения (например, аммонийсодержащие). Они вытесняют кислород, тем самым препятствуя горению. Так, например, всем известная борная кислота, если ее ввести в древесину, существенно снижает скорость распространения пламени. Существует даже группа веществ, которые позволяют превратить древесину из горючего материала в полностью негорючий.

Известен огнезащитные препараты для глубокой пропитки

древесины:

- на основе неорганических соединений бора;

- на основе карбонатов и неорганических соединений бора;

- на основе неорганических соединений фосфора и карбамида;

- на основе неорганических соединений фосфора дициандиамида.

Помимо этого известны биоогнезащитные составы:

- на основе соединений хрома, меди и галогенида;

- на основе соединений хрома, меди и неорганических соединений бора;

- на основе неорганических соединений фосфора карбамида и неорганических соединений фтора;

Модификация древесины, как способ улучшения ее эксплуатационных свойств, на практике ограничивается либо химическим взаимодействием реагента и функциональных групп, находящихся на поверхности древесины, либо изменением физических свойств древесного комплекса. В производстве плитных материалов используется измельченная древесина и связующие вещества: фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные, меламиноформальдегидные и другие смолы. Древесная масса используется в качестве наполнителя, которая физически перемешивается с синтетической смолой. Вследствие недостаточно высокого сродства смол и древесины, такие изделия имеют ряд недостатков. Они недолговечны, а с течением времени из них выделяются вредные для здоровья человека вещества (фенол, формальдегид, метанол), обладающие токсическим и аллергическим действием. В связи с этим необходимость поиска альтернативных путей переработки древесины в плитные материалы актуальна прежде всего с экологической точки зрения.
Проведение химической модификации древесины затруднено несмотря на то, что она обладает развитой морфологической поверхностью. Затруднение обусловлено тем, что доступ к реакционноспособным функциональным группам, по которым возможно протекание химических реакций в процессе модификации, осложнен надмолекулярными структурными и межмолекулярными химическими

взаимодействиями между целлюлозой, гемицеллюлозами (ГМЦ), лигнином. Наиболее полная химическая модификация всех компонентов древесины осуществима при условиях, обеспечивающих разрушение клеточной структуры древесины, но без разрушения основных компонентов до низкомолекулярных веществ. Известен ряд способов, которые используют с целью предварительной активации древесины при химической модификации - это воздействие токов высокой частоты; радиационная обработка; обработка химическим агентом, вызывающим деструкцию; метод парового взрыва [ПВ] или взрывной автогидролиз; длительный высокотемпературный гидролиз. Метод длительной высокотемпературной гидротермической обработки является наиболее приемлемым из перечисленных , так как кратковременная или длительная гидротермическая обработка (ГТО) острым паром, предусмотрена практически во всех технологических процессах получения плитных материалов путем горячего формования. Кроме того, метод ГТО позволяет, незначительно изменяя целлюлозу, гидролизовать ГМЦ до моно- и олигосахаридов, которые уже сами по себе в процессе горячего формования выступают в роли связующих веществ.
В качестве модифицирующих агентов для гидротермически обработанной древесины были использованы ангидриды дикарбоновых кислот - малеиновой и фталевой, поскольку известно, что даже частично этерифицированные целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин в древесине, придают ей пластичные свойства, что необходимо при получении из древесины плитных материалов.
Целью данной работы является получение плитных материалов из древесины, подвергнутой гидротермической обработке, в присутствии малеинового или фталевого ангидридов методом горячего прессования и изучение их свойств.

Антисептики в работе

В качестве примера можно привести пропитку на основе хромосодержащей композиции. Входящий в ее состав шестивалентный хром является токсичным веществом первого класса опасности и сильным канцерогеном. При пропитке древесины хром вступает в реакцию с целлюлозой и переходит в трехвалентный, превращается в пигмент, который не взаимодействует ни с кислотами, ни с щелочами, не растворяется в воде и полностью закупоривает поверхностные слои древесины. Образовавшийся фунгицид (фунгицид – это вещество, токсичное для грибов и подавляющее развитие их спор или мицелия) остается и не вымывается из древесины. В результате древесина становиться непригодной для биоразрушений и, в частности, защищена от гниения.

Фунгицидам приходиться бороться более чем с 1500 видами грибов. Для развития грибковых культур необходимы три решающих фактора;

- определенный температурный режим ( в зависимости от вида грибы обладают активной жизнедеятельностью при температуре от +5 до +30С );

- доступ кислорода;

- наличие влаги.

Доступ кислорода играет решающую роль для роста грибов. Иллюстрацией этому может служить ситуация, сложившаяся с восстановлением колокольни Ивана Великого в кремле. Колокольня стоит на подтопленных, находящихся ниже уровня грунтовых вод дубовых сваях уже несколько сотен лет. Во время строительства на Манежной площади был вырыт котлован, после чего уровень грунтовых вод упал, оголив дубовые опоры. Бревна стали гнить, и колокольня начала крениться. Только совместными действиями археологов, реставраторов и строителей колокольню удалось спасти от разрушения.

Другой случай пагубного воздействия атмосферного воздуха, нарушившего сбалансированные за много веков температурно-влажностные условия. В результате засушливого лета уровень воды в каналах сильно упал, и лиственничные опоры под воздействием кислорода начали разрушаться. Для восстановления прежнего уровня пришлось искусственно накачать морскую воду в каналы. К примеру, если поместить в почву деревянный колышек, то его первая часть будет гнить кромка, та его часть, где соприкасается воздух и почвенная влага.

Такими образом, при подборе препарата должны учитываться условия, в которых защищаемый объект будет эксплуатироваться, в том числе и самые экстремальные проявления атмосферных воздействий.

В настоящее время широкий выбор противогрибковых составов. Большая их часть изначально заявляется производителем как грунтовочные антисептики, т.е. составы сугубо вспомогательные. Зачастую они могут применяться не только для деревянных поверхностей, но и для защиты бетона, цемента, камня или кирпича. Пропитка на основе акриловых смол защищает древесину от воздействия влажности, плесневых грибков и может служить прекрасной грунтовкой для декоративных покрытий.

Способы пропитки древесины

Термохимическое включает пропитку заготовки (напр., фенолоспиртами, полиэфирными смолами, метилметакрилатом), ее сушку и отверждение пропиточного состава. В случае применения фенолоспиртов заготовку пропитывают в автоклаве сначала при разрежении около 90 кПа, затем при давлении 0,8-0,9 МПа. После удаления избытка пропиточного состава (иногда с применением дополнительного вакуумирования) материал выдерживают 10-12 ч на открытой площадке при 18-23°С, в сушильной камере при 70-120 °С (заготовку толщиной 30-40 мм в течение 9 ч), охлаждают и снова выдерживают при 18-23°С. Средняя продолжительность цикла модифицирования заготовки из березовой древесины составляет 2-3 суток.

Термомеханическое заключается в уплотнении древесины, нагретой сухим или влажным способом до 90 °С. Уплотнение осуществляют прессованием при давлении до 50 МПа в одном или одновременно в двух направлениях либо контурным прессованием (напр., продавливанием через конус), а также методом прокатки. Затем заготовки подвергают термообработке в камерах при 100-200 °С для снижения влажности и стабилизации их размеров. Продолжительность цикла обработки брусков толщиной 50-60 мм в прессе составляет 3,5-4 ч; уплотнение заготовок м. б. до 50%.

Химическое предусматривает обработку древесины реагентами, повышающими ее водо- и биостойкость, например аммиаком, уксусным ангидридом. При обработке аммиаком древесина темнеет, благодаря чему улучшаются и ее декоративные свойства. Ацетилированию подвергают древесину, вакуумированную в течение 2-4 ч до остаточного давления 49-98 Па. После подачи жидкого уксусного ангидрида температуру повышают до 125-130°С и обрабатывают заготовку 30 ч при 0,7 МПа. Остаток ангидрида удаляют сушкой заготовки при 90-100 °С и 98-490 Па.

При радиационно-химическом заготовку с влажностью 8-12%, герметизированную в металлическом контейнере, вакуумируют 30 мин до остаточного давления 2 кПа, затем пропитывают в течение нескольких часов мономером (напр., метилметакрилатом) или олигомером, полимеризующимися под действием ионизирующего излучения. После удаления избытка пропиточного состава, контейнер с заготовкой заполняют инертным газом (обычно N₂) и помещают в камеру, в которой заготовку облучают для осуществления полимеризации мономера.

При химико-механическом уплотняют древесину, пластифицированную химическим веществом, например аммиаком (этот материал называется лигнамон) или мочевиной (дестам). Лигнамон получают обработкой заготовки газообразным NH₃ в течение 2 суток в автоклаве с послед. уплотнением в прессе при 135-145 °С и 2-3 МПа (1,5 мин на 1 мм толщины готового материала), охлаждением до 30-50 °С (0,5 мин на 1 мм толщины) и выдержкой в помещении в течение 5-10 суток. При получении дестама заготовку обрабатывают 30%-ным раствором мочевины в горячей и холодной ваннах (соотв. в течение 2 и 10-12 ч), сушат в камере при 90-120 °С до влажности 15-20%, уплотняют в пресс-форме при давлении до 20 МПа и выдерживают 7 ч при 170 °С. Уплотнение заготовок достигает 55%.

Современные направления

В последнее время на рынке антисептиков появились препараты, которые, благодаря удачно подобранным комбинациям и соотношениям компонентов, надежно защищают пиломатериалы и древесину от синевы и плесени даже на 1,5-2% рабочим раствором. К таким препаратам следует отнести антисептический препарат "Тибор”, гарантирующий высокую эффективную защиту свежераспиленной древесины при атмосферной сушки, хранение и транспортировке.

Перспективной является отечественная разработка комбинированный биозащитный препарат "Клинвуд”. Используемый в ней инсектицид давно и эффективно применяется за рубежом для защиты круглого леса от насекомых, а специально подобранный в составе фунгицид обеспечивает защиту древесины от большинства плесневых и деревообрабатывающих грибов. Надежность защиты древесины от заселения стволовыми вредителями и поражения грибами в течение нескольких лет обеспечивает любой способ обработки (окунание, опрыскивание и т. д.). рабочий раствор не вызывает коррозию металлических соединений, относится к мало токсичным для человека продуктам.

Препараты последнего поколения сочетают в себе все главные черты хорошего антисептика: экологичность, эффективность, экономичность. Среди них: "Клинвуд”, "Сенеж Транс”, "Биосепт” – предназначен для предотвращения образования и распространения грибов, плесени и других биоразрушителей на различных поверхностях, а также для предотвращения заражения дерева деревопоражающими насекомыми и древесной синевой. Обладает высокой проникающей способностью. Экологически безопасен. "Биосепт-Транс” - для защиты свежевыпиленных пиломатериалов от синевы и плесени на период атмосферной сушки, хранения, транспортирования. Обладает высокой проникающей способностью в древесину и высокой эффективностью биозащиты. Обеспечивает защиту древесины на срок до шести месяцев. Пригоден для обработки лесопиломатериалов влажностью до 80%.