Термообработка (термогидролиз) - это процесс нагрева дерева до температуры 180-240°С в замкнутом бескислородном пространстве с использованием водяного пара, азота или углекислого газа под минимальным избыточным давлением. Пар применяется в качестве защитной среды и не допускает возгорания древесины.

Под действием высокой температуры внутри древесины разлагаются полисахариды, модифицируются лигнин и частично гемицеллюлоза. Сама целлюлоза не меняет своей структуры, потому дерево по-прежнему остаётся деревом. В результате модификации лигнина и гемицеллюлозы на клеточном уровне происходит сжатие микропор, что в дальнейшем препятствует попаданию внутрь воды. Полисахариды становятся несъедобными для насекомых и грибков.

Химический состав

Основной молекулярный состав древесины - целлюлоза (40-50%), гемицеллюлоза (20-30%) и лигнин (20-30%). Из этих веществ состоят стенки клеток древесины, из них образуется основное количество органических веществ. Состав и содержание гемицеллюлозы варьируется в зависимости от породы древесины. В лиственных породах количество гемицеллюлозы больше чем в хвойных, что обеспечивает более легкий процесс термообработки твердых пород, т.к. большинство изменений происходит в гемицеллюлозе.

Этапы и процессы

Существует множество технологий термообработки древесины, отличающихся температурой, временем, средой и типом камер. Но в каждой технологии можно выделить три основных этапа термообработки: сушка, термообработка и охлаждение.

  • На низкотемпературной стадии ( 20-150°С) процесса происходит сушка древесины. Дерево теряет сорбированную воду, влажность снижается почти до 0%. Испаряются экстрактивные вещества: терпены, воски, фенолы и жиры. Продолжительность фазы сушки зависит от изначального содержания влаги в древесине, породы дерева, а также толщины заготовки.
  • При температуре от 150°С начинается частичное разложение гемицеллюлозы с выделением уксусной кислоты, которая является катализатором (ускорителем) процесса гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров и глюкозы, вымывающихся паром процесса. В результате снижается объем материала, чувствительного к грибку. Разрыв цепочек гемицеллюлозы происходит при температуре от 200°С. Снижается концентрация водопоглощающих гидроксильных групп, увеличивается устойчивость к сжатию и снижается уровень внутренних напряжений.
  • При температуре от 180°С начинается гидролиз целлюлозы. Увеличивается кристалличность целлюлозы из-за разложения аморфной целлюлозы, в результате чего снижается доступность гидроксильных групп к молекулам воды, что способствует снижению равновесной влажности и, как следствие, способность древесины изменять геометрические размеры на 50-80%.
  • Лигнин частично модифицируется и разрушает свои лигноуглеводные связи при температуре от 230°С . Происходит поликонденсация лигнина с другими компонентами клеточной стенки, что приводит к дальнейшему сшиванию и способствует увеличению содержания лигнина. В результате термообработки содержание лигнина увеличивается на 20%. Молекулы лигнина становятся менее эластичным, и микроволокна целлюлозы имеют меньше возможностей расширяться и впитывать воду, что объясняет уменьшение равновесной влажности и улучшение размерной стабильности. Длительность данного этапа термообработки 2-3 часа
  • Охлаждение древесины до комнатной температуры приводит к закреплению образованных связей, в результате чего древесина приобретает новые свойства, связанные с необратимыми процессами полимеризации новых полимеров. Окончательный уровень влагосодержания древесины должен составлять 4 – 6%. Этот этап занимает 5 – 15 часов.

ПРИОБРЕТАЕМЫЕ СВОЙСТВА

  • Термодревесина не нуждается в химической защите, оставаясь при этом экологически чистой и гигиенически нейтральной;
  • Продолжительное воздействие влаги не приводит к гниению;
  • Влага до 10 раз меньше впитывается и быстро выходит из дерева;
  • Отклонение размеров поперек волокон под воздействием влаги составляет не более 5%;
  • После высыхания без последствий возвращается к своим изначальным размерам;
  • Внутри дерева не заводятся грибок, плесень, вредные микроорганизмы;
  • Теплопроводность доски уменьшается на 25%;
  • Долговечность возрастает не менее, чем в 10 раз.

СНИЖЕНИЕ РАВНОВЕСНОЙ ВЛАЖНОСТИ

Основной эффект термической обработки - снижение равновесной влажности. Причина уменьшения заключается в меньшем поглощении воды стенками клеток в результате их химического изменения, и повышенной недоступностью гидроксильных групп для молекул воды из-за увеличения кристалличности целлюлозы.

УВЕЛИЧЕННАЯ ГИДРОФОБНОСТЬ

(Уменьшение поглощения влаги на 20-30 %)

Модификация лигнина и образование псевдо лигнина приводят к образованию закрыто-пористой клеточной структуры древесины с низкой способностью связывать воду. Снижается способность впитывать воду и разбухать.

СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗМЕРОВ

Повышение стабильности размеров термообработанной древесины в основном связано со снижением гигроскопичности древесины. При термообработке образуются полимеры из сахаров, которые менее гигроскопичны, чем клетки гемицеллюлозы. Потеря метильных радикалов лигнина приводит к увеличению фенольных групп и к более высокой реакционной способности лигнина в образовании поперечных связей, ответственных за повышение размерной стабильности. Молекулы становятся менее эластичными, и микрофибры целлюлозы имеют меньше возможностей расширяться и поглощать воду, что объясняет уменьшение равновесной влажности и улучшение размерной стабильности.

УСТОЙЧИВОСТЬ К БИОЛОГИЧЕСКИМ ПОРАЖЕНИЯМ / ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Снижается возможность образования моно и полисахаридов из гемицеллюлозы и целлюлозы, служащих питательной средой для грибов.

Причины повышения устойчивости к гнили в основном связаны с двумя факторами. Во-первых, молекулы фурфурола, полученные в результате термической обработки, не распознаются грибками. Вторая причина - термообработанная древесина имеет точку насыщения волокон ниже, чем необработанная древесина из-за уменьшения равновесной влажности, что само по себе приводит к лучшему биологическому сопротивлению.

ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМООБРАБОТКИ

Thermowood – финская технология термообработки. Термомодификация древесины осуществляется в защитной атмосфере водяного пара при температурах 185-212°С. При этом содержание кислорода в среде уменьшается до 3,5%.

Westwood – американская технология, в которой внедрена система интеллектуальной обратной связи, благодаря чему время цикла является плавающим и оптимизируется самой системой в процессе обработки и достигаемых промежуточных параметров. Система осуществляет мониторинг и управление более чем 20 параметрами, что позволяет получать предсказуемый результат для твердолиственных пород (где древесина нагревается больше, чем сам теплоноситель).

Bois Perdure – французская технология, состоящая из последовательных операций высокотемпературной сушки древесины естественной влажности, термомодификации и охлаждения древесины в камере в атмосфере водяных паров и газов, выделяющихся из древесины. Все процессы протекают в замкнутом цикле. Избыток паровоздушных выбросов, образующихся при сушке и термомодификации древесины, утилизируется путем сжигания в газовой горелке.

Plato – голландская технология двойного разогрева. Ее особенностью является проведение термомодификации путем цикличного термогидролиза древесины при температурах 150-180°С и давлении до 1,6 МПа. Влажная древесина на протяжении 4-5 ч подвергается обработке насыщенным паром или водой (процесс варки) в герметичной емкости. После этого древесина высушивается в камере до конечной влажности 8-10%. Во время фазы отверждения древесину еще раз нагревают до температуры 160-190°С в течение 14-16 ч.

БИКОС - российский вариант технологии PLATO с использованием камер автоклавного типа. Отличаются от Plato в основном тем, что весь технологический цикл термомодификации древесины осуществляется в автоклаве без перегрузок в конвекционную сушильную камеру.

Retification – французская технология. Защита от кислорода происходит нагнетанием инертного газа азота. Нагрев идёт с постепенными несколько часовыми выдержками, сначала при 80-100°С, потом при 160-180°С и при максимальном нагреве до 220-260°С.

Oil Heat Treated – немецкая технология, при которой дерево фактически варят в горячем масле, предварительно просушив и нагрев в воздушной среде до 130°С. Масло имеет температуру 180-220°С, позже оно экстрагируется из древесины в автоклаве при пониженном давлении.

Tavis – украинская технология. Нагрев происходит до 190-240°С в автоклаве в среде насыщенного пара, с экспозицией на определённых температурах.