Реферат: Описание зарубежных и российских экспериментов по изучению свойств древесины, подвергнутой высокотемпературной обработке по сравнению с необработанной древесиной содержание Об изучении свойств термообработки древесины в Европе

ОПИСАНИЕ ЗАРУБЕЖНЫХ И РОССИЙСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ, ПОДВЕРГНУТОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКЕ ПО СРАВНЕНИЮ С НЕОБРАБОТАННОЙ ДРЕВЕСИНОЙ


Содержание

Об изучении свойств термообработки древесины в Европе.

Описание двух экспериментов по влагопоглощению и измерению размерной стабильности образцов (г. Пущино, Московская обл.)

Измерение равновесной влажности образцов.

Описание экспериментов по изучению стойкости термообработанной древесины к биологическим поражениям (Центр технической древесины и мебели, г. Париж, Горный институт, Сан-Этьен)



Лабораторные исследования свойств термообработанной древесины.


Технология термообработки древесины используется в промышленном масштабе сравнительно недавно (с середины 90-х годов), поэтому исследования свойств термообработанной древесины в европейских странах особенно активно проводились в конце 09-х годов. Эти исследования были подробно представлены в докладе Еврокомиссии в 2001 году на симпозиуме по термообработке в г. Антибы (Франция). С текстом доклада можно ознакомиться на сайте www.west-wood.ru (по ссылке).


В докладе подробно рассмотрены 4 основных способа термообработки, применяемые в мире – финское термодерево, французская ретификация (плюс второй способ Буа пердюр), голландская Плато и немецкая обработка горячим маслом. Общее в этих способах то, что древесина подвергается нагреву до температур более 200 градусов Цельсия в средах с ограниченным доступом кислорода. В результате в древесине происходят изменения на молекулярном уровне, что приводит к изменению свойств такой древесины, которые подробно исследовались в различных европейских лабораториях.


Основные исследования касались измерений поглощения воды термообработанным и обычным деревом, равновесной влажности, изменений размеров древесины, исследования механических свойств, прочности, твердости, исследования влияния воздействия различных грибков и культур, приводящих к гниению обычного дерева, подробные исследования по особенностям механической обработки, покраски, склеиванию, вплоть до поведения термообработанной древесины в агрессивных средах (например, в морской воде).


В результате в настоящее время можно с уверенностью сказать, что опираясь на этих исследования можно достаточно точно предсказывать свойства, способы обработки и поведение различных изделий из термообработанной древесины для проведения их дальнейших сертификаций с целью их продвижения на рынке.


Экспресс-исследование свойств термообработанной древесины.


Для того чтобы без сложных лабораторных исследований для себя убедиться в трех основных свойствах термообработанной древесины (уменьшение поглощения влаги, стабильность размеров и устойчивость к гниению) достаточно провести простой эксперимент с погружением образца термообработанной древесины в емкость с водой и измерить его вес и размеры до и после погружения (для правильного эксперимента образец нужно держать в воде 5-7 суток и затем примерно столько же времени дать ему высохнуть при комнатной температуре). Результаты можно сравнить с аналогичными измерениями для такого же образца из древесины, не подвергнутой обработке. Если поместить образцы (обработанный и необработанный) в разные емкости с водой, то уже через 2-3 дня можно заметить, что вода, в которой находится обычное дерево заметно помутнела, а к концу эксперимента и вовсе в ней может завестись плесень, при этом вода, в которой находится термообработанный образец сохранит свою абсолютную прозрачность и к концу «эксперимента».


Пример результатов одного из таких экспериментов представлен на графике.




Состояние воды через 1 неделю (справа – вода, в которой находился термообработанный образец)


^ ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗМЕНЕНИЮ РАЗМЕРОВ И ОСТАТОЧНОЙ ВЛАЖНОСТИ ТЕРМООБРАБОТАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ РАЗЛИЧНЫХ ПОРОД ПРИ АДСОРБЦИИ И ВЫСВОБОЖДЕНИИ ВОДЫ


Лаборатория Инновационной корпорации «Корина» г. Пущино, Московской области.


Целью экспериментов является получение абсолютных и сравнительных характеристик:

степени и интенсивности впитывания воды путем погружения указанных образцов в ванну с водой комнатной температуры на 2 часа,

степени и интенсивности отдачи воды при высушивании при комнатной температуре,

измерение объемов и размеров указанных образцов (на двух концах доски – А и В) в течение цикла пропитывания и высыхания влаги,

изучение свойств термообработанного и нетермообработанного дерева при длительном непрерывном воздействии водной среды (3 недели).


Для изучения были взяты образцы термообработанного дерева (2 образца сосны и 2 образца ели различной формы) и 2 образца обыкновенной сухой сосны влажностью 8-10% различной длины.


Точность измерений по весу – 5 г. (в среднем 1%), по ширине и толщине в среднем – 0,1 мм (0,2% и 0,5% соответственно), по длине – 0,5 мм (0,2%). Параметры, значения которых находятся в пределах точности измерений, выделены курсивом.


Эксперимент № 1 (сосна, ель, ясень и необработанная сосна в воде 2 часа)


Исходные параметры:




Образцы

Длина

Ширина А

Ширина В

Толщина А

Толщина В

Вес, г

Сосна р1

428,7

74,4

74,4

30,3

30,5

415

Сосна р 2

337,5

176,5

177,5

21,1

21,1

660

Ель р1

492,5

92,5

93

34

35,1

655

Ель р2

99

61,8

62,1

32,7

32,1

75

Ясень

377,5

104,1

104,1

21

20,9

440

Сосна 1

685

45,4

45,4

18,6

18,5

320

Сосна 2

349,5

45,8

45,6

18,4

18,7

175




Некоторые параметры через 15 минут после погружения в воду:




Образцы

Ширина А

Ширина В

Вес, г

Сосна р1

74,5

74,4

415

Сосна р 2

-

-

680

Ель р1

92,9

93,4

660

Ель р2

-

-

75

Ясень

104,2

104,4

455

Сосна 1

46,9

46,9

345

Сосна 2

-

-

195


Изменения параметров в процентах:


Образцы

Ширина А

Ширина В

Вес, г

Сосна р1

0,1%

0,0%

0%

Сосна р 2

 -

- 

3%

Ель р1

0,4%

0,4%

1%

Ель р2

 -

 -

0%

Ясень

0,1%

0,3%

3%

Сосна 1

3,3%

3,3%

8%

Сосна 2

 -

- 

11%


Таким образом, можно сделать первый вывод: термообработанные образцы изменили свои размеры за первые 15 минут пропитки водой незначительно (на 1-4 тысячных от первоначального размера), при этом нетермообработанные образцы за первые 15 минут изменили свои размеры на 3 сотых от первоначальных размеров, т.е. в 10 раз больше, чем термообработанные.


^ Второй вывод: нетермообработанные образцы набрали воды за первые 15 минут в 3-4 раза больше, чем термообработанные.


Параметры образцов через 2 часа после погружения в воду




Образцы

Длина

Ширина А

Ширина В

Толщина А

Толщина В

Вес, г

Сосна р1

428

74,4

74,4

30,8

30,9

440

Сосна р 2

338

178,5

180,5

21,3

21,3

720

Ель р1

493

92,8

93,2

34,5

35,4

680

Ель р2

99,0

62,3

62,5

32,8

32,8

75

Ясень

377,5

104,9

104,6

21

21

465

Сосна 1

686

47,3

47,8

19,6

19,6

385

Сосна 2

350

47,4

47,4

20

20,2

215


Изменения в процентах:


Образцы

Длина

Ширина А

Ширина В

Толщина А

Толщина В

Вес, г

Сосна р1

-0,2%

0,0%

0,0%

1,7%

1,3%

6%

Сосна р 2

0,1%

1,1%

1,7%

0,9%

0,9%

9%

Ель р1

0,1%

0,3%

0,2%

1,5%

0,9%

4%

Ель р2

0,0%

0,8%

0,6%

0,3%

2,2%

0%

Ясень

0,0%

0,8%

0,5%

0,0%

0,5%

6%

Сосна 1

0,1%

4,2%

5,3%

5,4%

5,9%

20%

Сосна 2

0,1%

3,5%

3,9%

8,7%

8,0%

23%


Таким образом, можно сделать третий вывод: учитывая начальную влажность нетермообработанного дерева по ГОСТУ 8-10%, а термообработанного на уровне 2-4%, насыщение влажностью нетермообработанного дерева происходит на уровне 30%, а термообработанного – на уровне 8-10%, т.е. даже в 100% влажной среде параметр влажности термообработанного дерева остается в пределах ГОСТА сухого дерева 8-10% против 30% у сухого нетермообработанного.


Оценивая параметры изменения размеров заготовок при набухании, можно сделать четвертый вывод: изменение размеров термообработанного дерева составляет 0,5 – 1,5%, при этом – нетермообработанного – 4 - 8%, т.е. в 6-10 раз больше чем у термообработанного.


Параметры образцов через 6 часов сушки при комнатной температуре:




Образцы

Длина

Ширина А

Ширина В

Толщина А

Толщина В

Вес, г

Сосна р1

428,5

74,6

74,6

30,5

30,7

420

Сосна р 2

338

178,5

180

21,3

21,2

695

Ель р1

491,5

92,9

93,4

34,3

35,4

660

Ель р2

100

62,3

62,2

33

32,4

75

Ясень

377,5

104,8

104,7

20,9

20,9

460

Сосна 1

685

47,6

47,8

19,8

19,5

360

Сосна 2

349,5

47,2

47,3

19,9

19,8

200


Изменения параметров в процентах по отношению к первоначальным параметрам до погружения в воду:


Образцы

Длина

Ширина А

Ширина В

Толщина А

Толщина В

Вес, г

Сосна р1

0,0%

0,3%

0,3%

0,7%

0,7%

1%

Сосна р 2

0,1%

1,1%

1,4%

0,9%

0,5%

5%

Ель р1

-0,2%

0,4%

0,4%

0,9%

0,9%

1%

Ель р2

1,0%

0,8%

0,2%

0,9%

0,9%

0%

Ясень

0,0%

0,7%

0,6%

-0,5%

0,0%

5%

Сосна 1

0,0%

4,8%

5,3%

6,5%

5,4%

13%

Сосна 2

0,0%

3,1%

3,7%

8,2%

5,9%

14%


После 6 часов сушки при комнатной температуре физические размеры термообработанных образцов остаются увеличенными на 0,3-1%, при этом нетермообработанных – на 4-8%, т.е. можно сделать пятый вывод, что термообработанное дерево за 6 часов «сбросило» как минимум половину дополнительного объема, приобретенного во влажной среде, а нетермообработанное за 7 часов остается увеличенным на те же 4-8%, т.е. термообработанное дерево обладает способностью быстрого восстановления объема.


По параметру влажности видно, что за 6 часов термообработанное дерево также «сбросило» половину приобретенной влажности (при этом надо иметь ввиду, что этот «сброс» влажности происходит на общем фоне влажности термообработанного дерева 8-10% - обычное дерево имея такую влажность ее «сбросит» как минимум за 1-2 неделю), т.е. можно сделать шестой вывод: термообработанное дерево в десятки раз более чем обычное дерево обладает способностью «сброса» избыточной влажности.


Эксперимент № 2 (термообработанный дуб и необработанный дуб в воде 3 недели)


Для целей эксперимента в две банки с водой были помещены одним концом две заготовки из дуба – одна термообработанная (Дуб Р - справа), другая – не термообработанная (Дуб). Наблюдение за размерами и физической средой велось 3 недели.



Параметры образца

Начальные данные

Через 1 неделю

Через 2 недели

Через 3 недели

Ширина (дуб Р)

54

54

54

54

Ширина (дуб)

54

56

56,5

57

Вода (дуб Р)

Через 15 минут приобрела очень светлый янтарный оттенок

Цвет стал чуть более насыщенным, вода абсолютно прозрачна

Цвет и прозрачность не изменились

Цвет и прозрачность не изменились

Вода (дуб)

Через 15 минут приобрела выраженный желтый оттенок

Цвет стал темно-желтым, вода мутная

Вода стала еще более темной и мутной, появились взвеси

Вода мутная, наполнена взвесями в виде слизистых хлопьев

Вид (дуб Р)

-

После высыхания приобрел начальный вид

После высыхания приобрел начальный вид

После высыхания приобрел начальный вид

Вид (дуб)

-

После высыхания прожилки остались темными

После высыхания прожилки имеют явно выраженную структуру

После высыхания весь погруженный ранее конец имеет грязно-черный вид с признаками гнили, явно видно поражение грибком





На фото – состояние воды через 1 неделю (справа – вода, в которой стоит термообработанный образец).


Таким образом, можно сделать седьмой вывод: термообработанное дерево сохраняет стабильность объемов, свои свойства и внешний вид также и при длительном воздействии влажной среды и абсолютно не подвержено гниению.





Резюмируя вышесказанное, можно выделить основные свойства термообработанного дерева, отличающие его от обычного дерева при контакте с влажной средой:


Термообработанное дерево набирает воду в 3-4 раза меньше, чем нетермообработанное.

Сброс избыточной влажности у термообработанного дерева происходит в десятки раз быстрее, чем у нетермообработанного.

Набирая воду, термообработанное дерево набухает и увеличивает свои объемы в 6-10 раз меньше, чем нетермообработанное.

При высыхании термообработанное дерево быстро восстанавливает свои первоначальные размеры.

Даже находясь при длительном воздействии воды, термообработанное дерево сохраняет максимальную влажность 8-10%, что соответствует влажности обычного сухого дерева.

При сверх-длительном воздействии влаги термообработанное дерево изменяет свои размеры в 3-4 раза меньше, чем нетермообработанное, при этом не гниет и не теряет свой внешний вид.

Благодаря тому, что поверхность термообработанного дерева не пористая, а плотная, то это существенно снижает способность термообработанного дерева впитывать влагу из воздуха, т.е. термообработанное дерево обладает способностью отталкивать воду без дополнительной обработки.

^ ЭКСПЕРИМЕНТ № 3

ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ПОГЛОЩЕНИЯ И ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ НАХОЖДЕНИИ ОБРАЗЦОВ В ВОДЕ

Длительность эксперимента – 15 суток


Лаборатория Инновационной корпорации «Корина» г. Пущино, Московской области.


Результаты:




^ ЭКСПЕРИМЕНТ № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАВНОВЕСНОЙ ВЛАЖНОСТИ ОБРАЗЦОВ


Лаборатория Инновационной корпорации «Корина» г. Пущино, Московской области.


Метод измерения: образцы, находящиеся долгое время в естественных условиях при влажности воздуха 50-60% взвешивались, затем в печи выпаривалась влага при температуре 110-120 градусов Цельсия, затем снова взвешивались. Точности измерений – 0,1%.

Результаты:

Дуб сильнообрабонанный – 4,3%

Береза сильнообработанная – 5,6%

Береза слабообработанная – 7,1%


Изучение ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ свойств и стойкости термообработанной древесины к БИОЛОГИЧЕСКИМ ПОРАЖЕНИЯМ


Даниель Дироль (*) и Рене Гийонне (**)


(*) Центр технической древесины и мебели, F – 75012 Париж

(**) Горный институт – F – 42000 Сан Этьен

Резюме

Тесты проводились на трех основных видах древесины (тополь, пихта, ель). Пробные образцы древесины, термообработанной при разных температурах, были подвергнуты воздействию базиодимицитных грибов. Результаты эксперимента оказались ошеломляющими. Это очень интересное качество можно с успехом использовать для повышения длительности использования оригинально не устойчивых к биологическим воздействиям материалов.


Введение


Процедура ретификации древесины была разработана Горным институтом в Сан-Этьен в течение десяти последних лет. Она представляет собой термическую обработку при 200º - 260º С в ненасыщенной кислородом атмосфере. Обработка объединяет цепь физических, механических и химических преобразований древесины, придающих обрабатываемому материалу уникальную долговечность.

Древесина представляет собой сложный материал по разнородности своих элементов, их анизотропности, гидроскопичности и биологическим характеристикам. При специальной термической обработке, ретификации, которая заключается в облегченном низкотемпературном пиролизе (200º - 260º С), ее способность к абсорбации влаги значительно снижается, улучшается стабильность объемов и повышается сопротивляемость к поражению микроорганизмами.

Определение «ретифированная древесина» подразумевает материал, получившийся в результате ретификации натуральной древесины, то есть в результате химической трансформации (создание новых связей) на молекулярном уровне: компоненты древесины кристаллируются. Этот термический процесс протекает в специфических условиях давления, температуры и при точно заданном уровне температуры.


Исследование физико-химических процессов ретификации.


Во время высокотемпературной обработки, часть воды, находящейся в древесине экстрагируется. В этих условиях и в инертной атмосфере выделяются моноксиды и диоксиды углерода, что приводит к изменению составляющих древесины. Это сложный и многогранный процесс термической обработки древесины, который приводит к многочисленным реакциям, проходящим на разных этапах обработки. Тем не менее, реальный контроль за температурой, длительностью, давлением газа и атмосферой охлаждения облегчает реакцию термоконденсации определенных компонентов внутренней структуры древесины без потери главных составляющих (целлюлозы и лигнина).

Хорошо известно, что древесина состоит из целлюлозы, лигнина и полуцеллюлозных остатков. Другие составляющие присутствуют в малых количествах по сравнению с вышеуказанными основными. Легнин, в меньшей степени, целлюлоза и полуцеллюлозные остатки представляют собой сложные полимеры с хрупкими химическими связями, разрушающимися при температуре 250º С.

Результаты анализов над ретифированной и натуральной древесиной представлены в таблице 1.


Таблица 1: Физико-химический анализ натуральной и ретифированной древесины:


Пихта

Натуральный

Обработка 1

Обработка 2

Простой анализ

С%

О%

Н%


49,06

44,96

6,22


53,62

40,44

5,93


54,34

39,29

5,91

Остатки

8,51

14,97

8,4

Лигнин

23,93

32,69

39,07

Пентозан

8,76

2,9

2,56




Ель

Натуральный

Обработка 1

Обработка 2

Простой анализ

С%

О%

Н%


50,47

43,85

6,21


53,62

40,06

5,88


55,10

38,40

5,82

Остатки

14,72

12,70

8,02

Лигнин

26,06

34,97

40,59

Пентозан

8,48

3,81

2,49




Тополь

Натуральный

Обработка 1

Обработка 2

Простой анализ

С%

О%

Н%


47,47

46,83

6,26







Остатки

2,63

4,89

9,21

Лигнин

20,53

36,2

25,44

Пентозан

17,25

16,28

11,54


Эти результаты подчеркивают следующее:

Основной состав сильно варьируется в зависимости от длительности обработки. Ясно видно, что при термической обработке древесина подвергается химическим трансформациям: содержание кислорода и водорода резко уменьшается, по сравнению с углеродом. Эта трансформация лигно-целлюлозных материалов приводит к изменению определенных характеристик. Древесина становиться намного более влагоустойчивой, во время первых минут ретифирования материал отдает 4% влаги во внешнюю атмосферу. Сокращение веса объясняется тем, что вода, содержащаяся в трещинах производных пентозана (полуцеллюлозе) обеспечивает стабильность размеров.


Таблица 2 предлагает сравнение максимального процентного изменения по глубине, радиусу, касательной и объему между ретифированной и натуральной древесиной.


Таблица 2 . Среднее отношение замеров ретифированной и натуральной древисины.





Процентное отношение

Пихта

Радиальный

Касательный

Объемный

Натуральная

5,46

11,17

17,60

Обработка 1

1,99

3,51

5,79

Обработка 2

1,73

2,84

4,81







Процентное отношение

Ель

Радиальный

Касательный

Объемный

Натуральная

2,47

7,05

10,51

Обработка 1

1,44

4

5,68

Обработка 2

1,09

2,66

3,95







Процентное отношение

Тополь

Радиальный

Касательный

Объемный

Натуральная

5,3

11,22

17,75

Обработка

2,47

4,69

7,49

Стабильность размеров появляется благодаря полимерам фурфурала, получившимся в результате разрушения сахаров, которые менее гидроскопичные, чем гемоцеллюлоза.


3. Улучшение устойчивости к биологическим поражениям.


Для проверки улучшения долговечности материала были протестированы (тест Бравери 1979) три основных образца ретифированного материала.

В процессе тестирования проверялась устойчивость к следующим грибковым поражениям:

Coriolus Versicolor,

Gloeophyllum trabeum,

Coniophora puteana.

Образцы древесины тополя также тестировались на устойчивость к культуре Chaetomium globosum Kunze.


12 образцов (30х10х5 мм) ретифированной древесины были помещены в контейнеры с культурами грибков на 6 месяцев. В то же время в аналогичные условия были помещены образцы необработанной древесины.


Таблица 3 Результаты полученные при тестировании образцов пихты (2 обработки ретификации)





Обработка 1

Обработка 2

Ретифированные образцы

Контрольные образцы

Ретифированные образцы

Контрольные образцы

РМ%

Н%

РМ%

Н%

РМ%

Н%

РМ%

Н%

Coniophora

Puteana


0


52


22,04


60


0,68


54


23,81


60

Gloephyllum

trabeum

0

33

15,01

114

0,02

31

18,3

89

Coriolus

versicolor

0,04

76

16,13

162

0,06

98

16,21

150



Таблица 4 Результаты полученные при тестировании образцов ели (2 обработки ретификации)





Обработка 1

Обработка 2

Ретифированные образцы

Контрольные образцы

Ретифированные образцы

Контрольные образцы

РМ%

Н%

РМ%

Н%

РМ%

Н%

РМ%

Н%

Coniophora

Puteana


0


59


36,02


75


0


50


34,76


73

Gloephyllum

trabeum

0,28

40

0

101

0,6

28

0

95

Coriolus

versicolor

0,23

53

8,76

224

0,58

40

9,92

210


Таблица 5. Результаты полученные при тестировании образцов тополя (обработка ретификации, при температуре 250 С в течение 20 мин)





Обработка 1

Обработка 2

Ретифированные образцы

Контрольные образцы

Ретифированные образцы

Контрольные образцы

РМ%

Н%

РМ%

Н%

РМ%

Н%

РМ%

Н%

Coniophora

Puteana


0,4


29


31,8


117


0,2


35


46,2


142

Gloephyllum

trabeum

0,4

30

37,7

61

0,3

54

35

73

Coriolus

versicolor

0,1

36

40,7

156

0,0

74

37,9

187



Комментарии


Во всех случаях, потери массы образцами ретифированной древесины значительно меньше 1%.

Образцы показали устойчивость к биологическим поражениям в соответствии с нормативами, кроме образцов ели при поражении культурой G. Trabeum, возможно у данного вида древесины уровень влажности слишком высок.

Во всех случаях, влажность ретифированной древесины была намного меньше, чем натуральной древесины, этот факт является особенно важным для образцов тополя

Образцы тополя не были затронуты процессами гниения



Заключение

Ретификация придает обработанной древесине необычайную устойчивость к биологическим поражениям. Низкий уровень влажности всех образцов ретифированной древесины повлиял на улучшение этой характеристики, так как уровень абсорбции воды древесиной значительно снижается. Несмотря на то, что уменьшается содержание гемоцеллюлозы, возможности для развития разрушительных процессов намного меньше, чем в натуральной древесине.


Это увеличение долговечности становить