Современное состояние вопроса модифицирования древесины

Наиболее изученными и широко применяемыми способами улучшения свойств древесины являются ее антисептирование и апнтипирирование, 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 получена 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 ХХ 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 (стирол, метилметакрилат, фурановые смолы, фенолоспирты, полиэфирные смолы, мочевиноформальдегидные смолы и др.) с последующими полимеризацией и отверждением термокаталитическими или радиационным способами. 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 древесно-полимерных 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. Швалбе [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. Берзиньш 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 ХХI 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

А. Пропитка антисептиками.

Б. Пропитка синтетическими мономерами и олигомерами.

В. Пропитка синтетическими смолами.

Г. Ацетилирование.

Д. Пропитка гидроксилсодержащими агентами.

Е. Прессование.

Ж. Пропитка антипиренами.

З. 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.

О. Пропитка металлами и сплавами.

П. Пропитка серой, персульфатом аммония, диметилсульфоксидом.

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