Термически модифицированное дерево: свойства, применение и современное состояние технологии
Часть 2
Приведенная характеристика инновационных методов защиты дерева указывает на снижение прочности материала при термическом способе обработки и возможную недостаточную биостойкость, особенно при контакте с грунтом. Из другой стороны решающее влияние на промышленное внедрение того или другого способа имеет стоимость оброки, которая в отдельных случаях ограничивает использование двух последних способов защиты. Исходя из таких соображений сосредоточим все внимание на исключительно на промышленно известных альтернативных способах модификации дерева.
5 Промышленные способа термической модификации дерева
Использования огня с целью увеличения долговечности дерева известно человечеству уже сотни лет. Так еще во времена викингов элементы изгородей обделывались на открытом огне.
Научные основы термической защиты дерева заложено в 1930-х годах в Германии и в 1940-х в США. Дальнейшие исследования в Германии в период 1950-70 гг. стали подпочвам для современных исследований в 90-х гг. в Финляндии, Франции, Германии и Нидерландах.
Основные параметры промышленных процессов термической модификации дерева отличаются, но общей их характеристикой является то что осуществляются они при ограниченном содержимом кислорода в закрытых системах. Известные на сегодня способы можно разделить на 4 группы:
1. Одноступенчатая обработка водной парой. В этом случае используются установки подобный сушильным камерам, в которые после загрузки материала подается пара, при этом содержимое кислорода в воздухе уменьшается до 3,5%, что при температурах 150-200?С замедляет оксидацию (горение) дерева. При обработке предварительно высушенного дерева общая продолжительность процесса представляет около трех дней. Также возможная обработка и сырого материала, но в этом случае продолжительность процесса будет большей с учетом времени собственное сушение.
2. Многоступенчатая обработка „Влага-Тепло-Давление”. Влажное дерево на протяжении 4-5 часов подвергается обработке насыщенной парой или водой (процесс варки) при температурах 160-190?С, или 150-200?С. Сам процесс происходит в герметичной емкости под давлением до 1,6МПа. После этого дерево высушивается в камере на протяжении 3-4 дней к конечной влажности около 10%. Во время фазы твердения дерево еще раз нагревают к температуре 170-190?С на 14-16 часов.
3. Обработка в горячем масле. Высушенное дерево погружается в горячие растительное масло и медленно нагревается к температуре 180-220?С. продолжительность этой обработки составляет 2-4 часа. При этом дополнительно происходит поглощение масла деревом, которое зависит от размеров материала (поверхности) и может регулироваться. Общая продолжительность процесса около одного дня.
4. Обработка в среде инертных газов. Этот процесс известный как „ретификация”. В этом случае вместо водной пары или масла дерево обрабатывают в среде азота с содержимым кислорода до 2% при повышенном давлении.
Важной чертой всех вышеназванных способов есть конечное постепенное охлаждение и увлажнения материала к эксплуатационной влажности.
6 Характеристика термически модифицированного дерева
Тепловая обработка дерева сопровождается разрушением и выпарыванием некоторых составных компонентов стенок клеток и является причиной уменьшения массы дерева в целом. При этом в паровоздушной среде уменьшения массы есть более выраженным чем при ретификации.
Стабильность размеров в зависимости от способа термической обработки, параметров самого процесса и породы дерева есть на 10-40% большей чем не модифицированного дерева. Это более всего наблюдается при усыхании в тангентальному направлении и свидетельствует о существенном снижении влагопоглащение дерева.
Одним из основных показателей есть механическая прочность дерева, которое в значительной мере зависит от количества и характера трещин, которые могут возникать в процессе самой термической обработки. Выявлено, что дерево с высокой плотностью, особенно лиственных пород, есть предрасположенной к образованию трещин, которые существенно снижают показатели прочности модифицированного дерева. Из другой стороны отрицательное влияние температурного фактора на прочность дерева проявляется и без возникновения трещин, и так же есть более весомым для лиственных пород чем для шпилечных.
Немаловажным есть роста хрупкости дерева, которое отображается на механической стороне обработки модифицированного материала – возрастают требования к режущему инструменту, скорости подачи материала при строгании или фрезировании и др. вследствие сниженной прочности существенно уменьшается сопротивление вытягиванию шурупов. Так, для дерева сосны, независимо от способа тепловой модификации и направления (тангентальний или радиальный), этот показатель есть меньшим в среднем на 30% в сравнении с не модифицированным деревом, и есть особенно важным в разработке конструкций и производстве окон.
Для всех способов термической модификации общей чертой являются потемнения естественных цветов пропорционально к росту температуры, времени обработки и влажности самого дерева. Цвет изменяется от свет коричневого, свет- или темношоколадного, к темно коричневому. Это изменение естественного цвета в подавляющем большинстве случаев присущий для все сечения дерева, а сам цвет есть неустойчивым к действию ультрафиолетового излучения.
Относительно биостойкости, то данные различаются по способам термообработки, породах дерева, методах их испытания и свидетельствуют о недостаточном исследовании этого аспекта проблемы. Испытание термически модифицированного дерева на биостойкость в условиях прямого контакта с грунтом есть более однозначными и указывают на довольно низкое ее значение.
При испытании тепловых свойств столярных плит, изготовленных из модифицированного дерева, выявлено, что показатель их теплопроводности есть на 17-25% меньшим и наблюдается зависимость теплопроводности дерева от ее плотности. Так плотность модифицированного дерева сосны есть в среднем на 8,7-10,4% меньшей чем не модифицированной. Можно сделать вывод о потенциале энергосбережения при использовании термически модифицированного дерева, например, в производстве окон, где теплопотери могут быть уменьшены на 5% при площади рамы относительно общей площади оконного блока равной 35%.
Известно, что свойства модифицированного дерева в определенной мере можно изменять в зависимости от температуры и продолжительности обработки, давления и вида среды, а также от породы и начальной влажности дерева. Но при этом необходимо учитывать то, что при улучшение одних свойств может вызвать ухудшение других. Так, в частности, значительное повышение температуры улучшает биостойкость материала, сопровождается разрушением прежде всего гемицелюлози, и приводит к росте хрупкости и уменьшение прочности в целом. При одновременном повышении температуры и продолжительности обработки увеличивается твердость и стабильность размеров, но одновременно снижаются механические показатели прочности дерева, которое ограничивает внедрение материала данного способа обработки как конструкционного материала. С другой стороны, продолжительная термическая обработка при весьма низких температурах не разрешает вообще модифицировать дерево, а многоступенчатая модификация в сравнении с одноступенчатой может иметь существенно меньший эффект на формирование заданных свойств материала. Учитывая вышесказанное, можно подытожить, что целенаправленная термическая модификация дерева есть прежде всего компромиссом между основными и второстепенными свойствами дерева, которые сыграют решающую роль в производстве конечного продукта.
7 Применение термомодификованого дерева
Пути применения термически модифицированного дерева зависят от специфических свойств, которых она приобретает после модификации. Каждый производитель самостоятельно определяет для себя те сегменты рынка, которые могут быть заполнены его продуктом. Например в Европе в сегменте рынка термически модифицированное дерево местного происхождения является альтернативой тропическим и североамериканским породам. А речь идет о частичном вытеснении химически модифицированного и незащищенного дерева в целом.
Анализируя современный европейский рынок продукции, изготовленного с темомодификованого дерева, следует указать его региональные особенности. На данный момент известно о таком применении этого материала: фасады домов, производство окон, террас, изгородей, теплоизоляция стен, внутренние интерьеры, садовая мебель, мебель внутреннего назначения, емкости для цветов, элементы саун (стены, лавки, двери), половые покрытия, укрепление водных путей. Таким образом предложение изделий из термически модифицированного дерева не выходит за пределы традиционного применения массивного дерева.
8 Права и патенты
Одной из наиболее известных торговых марок термически модифицированного дерева есть ThermoWood®, которая принадлежит к основанной в грудные 2000 года одноименной „Thermowood Association”. Данная марка защищена многочисленными патентами, а основные производства расположенные в Скандинавии, в основном в Финляндии. Производителями есть Finnforest, Stora Enso Timber, Stellac и др.
Другой известной маркой есть Plato®Holz, которая принадлежит голландской фирме New Hout.
Серия продукции марки „Mafi Vulcano” из термически модифицированного дерева (исключительно половые элементы внутреннего использования) фирмы Mafi Holzverarbeitung GmbH в отличие от предыдущих марок, согласно своей рыночной стратегии, не имеет ни одного патентной или лицензионной защиты.
Также известная марка Menz-Holz, которая принадлежит одноименной фирме и защищенная патентами на термическую модификацию дерева в горячем масле. Ассортименты продукции данной фирмы ограничивается в основному изделиями садового назначения.
Владельцем патента на производство ретификованой дерева „Bois retifie” есть NOW S.A. (New Option Wood Limited Company), а основными производителями продукции данной марки есть HTT SOUSTONS, RETITECH, RETIMAC i RETIBOIS.
9 Внедрение на рынок
Современная промышленная термообработка дерева базируется на таких основных принципах:
1. Преобразование доступных дешевых пород дерева в качественно новый материал, который расширяет их область применения и повышает ценовую конкурентоспособности.
2. Инновационный экологически чистый способ защиты дерева как альтернатива химическому.
3. Инновация в производстве конечного продукта, которая проявляется в новых дизайнерских и инженерных решениях исходя из специфических свойств материала.
Т.е. потенциальным покупателем есть прежде всего тот, кто мотивируется природоохранным критерием.
Для сравнения цен продукции из термически модифицированного дерева с альтернативными изделиями необходимо учесть стоимость самого производства, которая зависит от стоимости оборудования, сырья, и затрат на проведение процесса.
Стоимость оборудования непосредственно зависит от метода модификации, вместительности оборудования и стоимости лицензий. Поэтому для сравнения целесообразно ввести удельную стоимость оборудования – при обработке 500 м3 дерева в год.
Способ модификации Цена оборудования, тыс. € Производительность оборудования, тыс. м3 /год Удельная стоимость, тыс. €/(500 м3 год)
Plato® 10000...15000 75 67...100
Ретификация 460...690 3...9 38,5...77
В горячем масле 450 8,5 26,5
В перегретой пари - 1...50 -
Решающее влияние на ценовую политику имеет порода, качество и размеры сырья. В Скандинавии наиболее распространенными есть ель, сосна и береза, а в центральной Европе сосна, ель и тополь. Принципиально другим есть ценообразование на рынке термически модифицированного дерева ценных пород (дуб, ясень, акация), которые после обработки приобретают измененную окраску и большей стабильности размеров.
Стоимость тепловой модификации разными способами по разным данным находится в пределах 60...250€/м3.
Способ модификации Особенности процесса Стоимость обработки, €/м3
ThermoWood® - -
Plato® - 100
В горячем масле Ель; в зависимости от степени поглощения масла 60...90
В инертном газе Ретификация; в среде азота 150...160
Стоимость обработки есть сменной также в пределах конкретного способа и зависит от:
1. Среды обработки. Известно, что обработка в перегретой пари есть значительно более дешевой чем в масле или инертном газе.
2. Энергии. Статья энергозатрат зависит в первую очередь от вида и стоимости энергоносителей, продолжительности и уровня температуры обработки и возможности повторного использования полученного тепла.
3. Времени обработки. Продолжительность обработки в т.ч. охлаждение зависит от породы дерева, ее размеров, нужных свойств, и есть решающей в производительности оборудования.
В частности, финская технолгия ThermoWood® осуществляется в три фазы:
1. Нагревание дерева к температуре около 100?С и сушение в паровоздушной среде к влажности 0%. После чего температура повышается до 130?С.
2. Тепловая обработка при температуре 185...215?С и стабилизация температуры на протяжении 2...3 часов в зависимости от заданных свойств.
3. Охлаждение к температуре 80...90?С, увлажнение к конечной влажности 4...7% и постепенное снижение температуры. Продолжительность близко 5...15 часов.
Общее энергопотребление лишь на 25% больше чем при конвективному сушении, при этом 80% тепловой энергии идет собственное на сушение.
В целом стоимость термообработки возрастает вместе с толщиной материала, а учитывая еще и стоимость самого оборудования, доступным способом является одноступенчатая модификация в среде перегретой пары. Из другой стороны сложное оборудование для многоступенчатого процесса Plato® есть наиболее дорогим. На полезный выход, по данным производителей, основное влияние имеет качество сырья, а на втором плане опыт в проведении самого процесса.
Стоимость механической обработки модифицированного дерева существенно не отличается от обычного массива, за исключением некоторых моментов: вследствие увеличения хрупкости при шлифовании возрастает количество пыли, которая требует использования эффективных систем; необходимо уменьшить давление при склеивании, а соединение деталей гвоздями необходимо заменить на шурупы; нужно учитывать влияние сниженного водопоглащение при затвердении водорастворимых клеев; положительным есть отсутствие смолы в модифицированном дереве.
Относительно ценовой политики на полуфабрикат, то проследить ее довольно тяжело, однако можно отметить, что цена термически модифицированного дерева находится между химически пропитанным деревом и деревом тропических пород, для которых характерная относительно высокая естественная биостойкости. Исходя из стоимости сырья около 200€/м3 и стоимости обработки, например, в горячем масле 265-295€/м3, общая цена формируется на равные 400-700€/м3. Относительно стоимости конечного изделия, то вследствие разнообразия продукции высчитать среднюю цену проблематично.
|
