ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

Современное состояние вопроса модифицирования древесины

Наиболее изученными и широко применяемыми способами улучшения свойств древесины являются ее антисептирование и антипирирование, которые широко освещены в специальной литературе [1], и поэтому на них нет необходимости останавливаться. Рассмотрим способы улучшения таких свойств древесины, как повышение прочности, стабильности размеров, антифрикционных свойств и др.

Как известно, основными техническими приемами модифицирования являются пропитка, прессование и термическая обработка, включающая сушку древесины. Дополнительно древесина может подвергаться воздействию магнитных и электрических полей, ультразвука, проникающей радиации, энергии лазера, плазмы и т.д.

Посредством пропитки вводятся вещества, увеличивающие прочность, формостабильность древесины.

В результате прессования увеличивается плотность древесины и соответственно возрастают прочностные свойства. Термическая обработка во всех случаях способствует закреплению приобретенных свойств.

Впервые полученная братьями Пфлеймер в 1915 году прессованная древесина выпускается до сих пор в небольших количествах в Западной Европе и США под марками «лигностон», «стейпак», «стейбвуд». Основное назначение - ткацкие челноки. Одновременно с появлением прессованной древесины начали развиваться способы модифицирования древесины, основанные на пропитке древесины синтетическими мономерами и олигомерами. Эти способы получили развитие в Японии, Германии, США и Польше. В Польше древесина, модифицированная стиролом (товарный знак «лигномер»), выпускается и в настоящее время.

В Словакии, начиная с 70-х годов XX в., выпускается модифицированная аммиаком прессованная древесина марки «лигнамон».

Однако наиболее глубокие исследования и широкая производственная проверка в области модифицирования древесины были проведены в СССР. В нашей стране сложились 4 направления модифицирования, отраженные в государственных стандартах [2]: термохимическое (радиационно-химическое), термомеханическое, химическое и химико-механическое.

Термохимическое модифицирование древесины заключается в пропитке сухой древесины мягких лиственных пород синтетическими мономерами и олигомерами. Этот способ получил распространение в Белоруссии под руководством Г.М. Шутова [3] и А.С. Фрейдина [4] в г. Обнинске. В результате обработки древесина приобретает водо-влагостойкость, повышенную прочность. Недостатком способа является высокая стоимость, токсичность модифицирующих агентов и сложность технологического процесса. Эти обстоятельства привели к тому, что организованное производство изделий из модифицированной древесины (г. Гродно, г. Борисов, г. Соликамск) в настоящее время остановлено. Несколько дольше просуществовало производство древеснополимерных подшипников скольжения, где сочетались пропитка полимерами с прессованием древесины. Теория и практика этого производства разработана Б.И. Купчиновым и В.И. Врублевской [5].

В семидесятых годах возникло, но не получило развития химическое модифицирование древесины ацетилированием, энтузиастом которого был К.П. II I валбе [6].

Наибольшее распространение в СССР получило термомеханическое модифицирование (прессование) древесины, развитое в трудах П.Н. Хухрянского, Н.Т. Нысенко [7,8]. По этому способу древесина уплотняется в пресс-формах до требуемой прочности, затем наполняется антифрикционными составами. Применяется для изготовления деталей трения. Недостатки способа те же, что и у предыдущих способов - сложность и мелкосерийность производства, нестабильность материала в среде с переменной влажностью. По этой причине десятки опытно-промышленных цехов и участков по выпуску прессованной древесины со временем закрылись, и в России действует лишь одно предприятие во Владимирской области, выпускающее заготовки для ткацких челноков.

Химико-механическое модифицирование древесины, включающее химическую пластификацию аммиаком и последующее уплотнение наибольшее развитие получило в Латвии, где работали талантливые ученые Г.В. Берзиныи и К.А. Роценс [9,10]. Модифицированная древесина, получаемая по этому способу, обладала повышенной, по сравнению с прессованной древесиной, формостабильностью и имела товарный знак «лигнамон». Впервые при реализации этого способа технологические стадии уплотнения и сушки были совмещены (хотя и частично) по месту и времени. Разработанная технология получения «лигнамона» автоклавным методом нашла применение в Словакии, где «лигнамон» производится для моделей литья и товаров народного потребления. Недостатком данного способа является необходимость работы с токсичным аммиаком и, как следствие, сложность технологического оборудования.

Анализ способов модифицирования древесины закономерно ставит вопрос: целесообразно ли экономически модифицировать древесину? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим проблему с другой стороны: является ли модифицированная древесина уникальным материалом, не имеющим традиционных сфер применения? Нет, все современные марки модифицированной древесины позволяют квалифицировать ее как материал, идущий на замену классических конструкционных материалов. Так, прессованная древесина применяется как заменитель черных и цветных металлов, пластиков и пластмасс в узлах трения машин и механизмов. Поэтому, несмотря на примитивную технологию получения и, как следствие, на очень высокую себестоимость, подшипники скольжения и ткацкие челноки из прессованной древесины будут находить применение, хотя и в небольших объемах.

Широкое развитие модифицирования древесины следует ожидать в том случае, если технология ее получения будет усовершенствована до такой степени, что себестоимость изделий из модифицированной древесины будет значительно ниже себестоимости изделий из древесины твердых лиственных пород.

Итак, можно констатировать, что на начало XXI века наметились три основные направления в области модифицирования древесины:

  • 1. Развитие теории прессования древесины, которая в прикладном аспекте позволяет уплотнять древесину без разрушения. В конечном итоге это позволит получить материал, по прочности не уступающий стали.
  • 2. Совершенствование технологии модифицирования с целью снижения ее себестоимости.
  • 3. Придание древесине новых, не характерных для нее свойств (например, полную гидрофобность, «эффект памяти», аномально низкий коэффициент трения, тепло-электропроводность, сверхпластичность и другие).

Рассмотрим этот вопрос наиболее подробно. Приведенная в стандарте [2] классификация способов является феноменологической, отражает сложившиеся научные направления, но не отражает существа и задач модифицирования. На рис. 1 представлена классификация способов модифицирования по целевому признаку, т.е. на улучшение каких свойств направлена реализация того или иного способа. Как видно из рис. 1, таких способов 10, реализация каждого способа включает одну или несколько из 16 операций, которые перечислены ниже

A. Пропитка антисептиками.

Б. Пропитка синтетическими мономерами и олигомерами.

B. Пропитка синтетическими смолами.

Г. Ацетилирование.

Д. Пропитка гидроксилсодержащими агентами.

Е. Прессование.

Ж. Пропитка антипиренами.

3. Пропитка кремнийорганическими соединениями.

И. Пропитка аммиаком и аминами.

К. Пропитка карбамидом и амидами.

Л. Гидротермическая обработка.

М. Пропитка красителями.

Н. Пропитка антифрикционными и фрикционными составами.

O. Пропитка металлами и сплавами.

П. Пропитка серой, персульфатом аммония, диметил сульфоксидом.

P. Воздействие магнитных, электрических, звуковых полей, ионизирующей и лучевой радиации.

Классификатор направлений модифицирования древесины

Рис. 1 Классификатор направлений модифицирования древесины

Проанализируем способы, представленные на рис. 1. Отметим, что наиболее полно изучены биологическая коррозия и воздействие насекомых на древесину, а также огнезащита [11,12], которые в настоящей работе не рассматриваются.

Химическая и атмосферная коррозия древесины изучена Ф. Колльманом [13]. Стабилизация форм и размеров древесины в среде с переменной влажностью в литературе анализируется многими исследователями, среди которых в первую очередь следует упомянуть В.Ф. Анненкова [14]. Способы модифицирования древесины, направленные на увеличение ее прочностных свойств, приведены в трудах М.С. Мовнина и Н.А. Модина [14,15]. Придание древесине пластических свойств применялось при гнутье и прессовании древесины. В качестве пластификатора используются водяной пар, аммиак, карбамид [17-19]. Известно также, что карбамид не только пластифицирует древесину, но и предохраняет ее от растрескивания при сушке и увеличивает огнестойкость и прочность [20].

Улучшение декоративных свойств древесины изучено достаточно полно [21]. Так же большое количество работ посвящено антифрикционным свойствам древесины [22,23]. Большой интерес представляют работы Лавничака и Золднерса [24,25], об изменении анизотропии и физических свойств древесины. Среди способов, придающих древесине новые свойства, следует отметить перевод ее в жидкое состояние [26] и проявление эффекта памяти [27].

Таким образом, можно констатировать, что в конце XX столетия накопился большой экспериментальный материал по получению модифицированной древесины и исследованию ее свойств. Фундаментальными трудами в области технического древесиноведения В.В. Вихрова, В.И. Патякина, В.М. Иванова, В.А. Баженова, В.Е. Москалевой, Б.И. Огаркова, В.М. Хрулева были заложены теоретические основы модифицирования древесины. Дальнейшее решение проблемы модифицирования древесины следует искать в выборе наиболее рационального способа и всестороннем изучении. Для этого проведем сравнительный анализ пяти способов модифицирования древесины по степени реализации задач модифицирования, глубине их воздействия на древесину на различных уровнях строения и использования технических приемов модифицирования. Поскольку термохимический и радиационно-химический способы являются по существу одним и тем же способом (инициатор полимеризации роли не играет), объединяем их в один способ, как показано в табл. 1.

Сравнение способов модифицирования древесины

Таблица 1

Цели модифицирования

Способы модифицирования

Термо-

механи

ческий

Хи-

мико-

меха-

ни-

чес-

кий

Термохимический (радиа- цио-нный)

Хими

ческий

1.Придание биостойкости

+

+

+

2.Стабилизация форм и размеров, гидро- фобность

+

+

+

З.Увеличение механической прочности и износостойкости

+

+

+

4.Придание огне-и термостойкости

+

+

5.Стойкость к атмосферной и химической коррозиям

+

+

+

б.Придание пластичности

±

+

7.Улучшение декоративных свойств

±

+

+

8.Придание антифрикционных свойств

+

+

9.Изменение анизотропии и физических свойств (реологических, электрических, тепловых и др.)

+

+

+

Технические приемы модифицирования

1.Пропитка

+

+

+

+

2.Прессование

+

+

З.Г идротермообработка

+

+

+

+

Уровни строения древесины

1.Элементарная структура

+

±

+

2.Ультромикроструктура

+

+

З.Микроструктура

+

+

+

4.Макроструктура

+

+

Примечание: (+) реализуется полностью; (±) реализуется частично; (—) не реализуется

Из табл. 1 видно, что преимущество (не касаясь технологичности способов) имеет химико-механический способ, при котором: а) используются все технические приемы модифицирования; б) изменяются все уровни структурной организации древесины; в) из 9 задач модифицирования 7 реализуются полностью и 2 частично. В качестве пластификатора при химико-механическом модифицировании целесообразно использовать карбамид как нетоксичный дешевый реагент [28,29].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >