Забытый метод защиты древесины может увеличить срок ее службы на десятки лет

Защитить древесину так, чтобы она служила вечно, непросто. Есть много способов добиться этого, однако проверенные методы часто забываются. Среди почти забытых методов — так называемая термическая модификация древесины, – процедура, которую наши предки использовали для защиты древесины на протяжении многих веков О чем идет речь?

Термодерево и его происхождение

Современные технологии решили эту проблему. Начиная с  1990-х годов термически  модифицированную  древесину стали проводить в Финляндии в промышленных масштабах. Сейчас этот материал чаще всего называют ThermoWood. ThermoWood — одна из торговых марок этого материала, но наименее известная из всех. Основной целью промышленной термической модификации является преобразование древесины местных и легкодоступных лесных пород в продукт, обладающий свойствами, аналогичными свойствам тропических пород древесины. Ознакомиться с текущими ценами на термически обработанную древесину ThermoWood можно здесь.

Термическая модификация древесины обычно состоит из трех этапов:

•  – это нагрев и сушка древесины до очень низкой влажности (2-4%), при температуре не превышающей максимум в 150°C;
• – собственно термическая модификация, протекающая в диапазоне 150–280 °С.
•  – доведение термомодифицированной древесины до влажности, соответствующей равновесной влажности среды, для которой предназначен материал.

Как термическая модификация защищает древесину ?

Термическая модификация происходит в диапазоне 150-280 °C, но в целом можно сказать, что чем выше температура, тем лучше свойства древесины с точки зрения защиты. Проблема в том, что при повышении температуры прочность древесины снижается. Поэтому используется температура, которая влияет на сопротивление данной древесины, но принципиально не влияет на ее прочность.

Характерной чертой модифицированной древесины (ThermoWood) является значительно более темный цвет, чем обычно для данной породы древесины. Часто изменение цвета сопровождается изменением первоначального запаха древесины, которую  в народе часто называют  «спекшейся».

Сколько стоит обработка поверхности дерева? Актуальная цена воска здесь. Сравните текущие цены на защитные масляные покрытия здесь.

Так как же защитить древесину?

Термическая модификация существенно изменяет физические свойства древесины – происходит значительное снижение коэффициента набухания и высыхания, а также существенно изменяется равновесная влажность древесины. Эти модификации вызваны изменением химических веществ, образующих древесину, таких как лигнин, целлюлоза, гемицеллюлозы и сопутствующие компоненты в различных количествах в зависимости от типа древесины. Именно сопутствующие компоненты имеют самую низкую температуру разложения и почти все удаляются из древесины.

Другими веществами, легко подвергающимися термическому разложению, являются гемицеллюлозы в диапазоне температур 170–240 °C. Целлюлоза начинает разлагаться от 250 °С, а активное разложение лигнина происходит при 300-400 °С. Целлюлоза и гемицеллюлоза (углеводороды) содержат гидроксильные группы, с которыми связывается связанная вода. После термической модификации отмечено значительное уменьшение гемицеллюлоз, которые при разложении образуют уксусную кислоту, вызывающую деполимеризацию длинных цепей целлюлозы. Кроме того, увеличивается доля кристаллической целлюлозы, а также  размер этих кристаллов. В результате доля аморфной целлюлозы уменьшится.

Защита древесины изменением химической основы

В процессе термомодификации в древесине происходит значительное количество процессов, частично изменяющих ее механические, в основном физические, свойства. Ниже более подробно рассматриваются отдельные химические процессы, происходящих при модификации древесины и их  конкретное влияние с точки зрения устойчивости к биотическим вредителям.

Химические изменения основного состава древесины

Частичное разложение гемицеллюлоз при термомодификации значительно уменьшает количество сорбционных центров на -ОН-группах. За счет укорочения цепей целлюлозы, увеличения кристаллизации и увеличения размеров кристаллов увеличивается количество связей между отдельными цепями полимера целлюлозы через -ОН-группы. Таким образом уменьшается количество сорбционных центров и увеличиваться количество связей между лигнином и гемицеллюлозами.

Сниженная способность модифицированной древесины поглощать воду приводит к значительному снижению равновесной влажности древесины. Если необработанная древесина в комнатных условиях, имеет влажность 10-12% то термомодифицированная древесина будет иметь влажность всего 5-7%. При пониженной влажности древесины весь ход изотермы сорбции изменяется , и классическая номограмма для определения равновесной влажности древесины в зависимости от влажности воздуха и температуры окружающей среды уже неприменима. Предел гигроскопичности значительно снижается.

Влияние модификации на устойчивость к вредителям древесины

Во всех материалах указано, что термическая модификация повышает защиту древесины от биотических агентов. Например. ThermoWood заявляет, что в результате термической модификации древесина из классов устойчивости 2 и 3 переходит в класс устойчивости 1.

В целом при снижении влажности древесины ниже 12% вероятность поражения древесины биотическими вредителями значительно снижается. Другим фактором, влияющим на долговечность древесины, является расщепление гемицеллюлозы – пищи для грибов отвечающих за гниение древесины. Гемицеллюлозы являются наиболее легко расщепляемыми сахарами в древесине и, следовательно, самыми быстрыми и легкими источниками энергии.

Другой возможный способ защиты древесины от дереворазрушающих грибов — устранение связанного в древесине кислорода. Даже грибам для жизни и размножения нужен кислород. В модифицированной древесине наблюдается повышение уровня содержания углерода, что объяснялось потерей кислорода в ацетильных, карбоксильных и гидроксильных группах в ароматической системе лигнина.

Помимо прочего, повышение уровня содержания углерода создает новые токсичные экстракты (ацетон, метанол), которые вызывают частичную растворимость лигнина в воде. Эти экстрагированные вещества влияют на общую среду в древесине, и это изменение лучше всего проявляется в изменении PH. Например. Немодифицированная сосна лучистая имеет рН 5,0-5,5, после термической модификации ее рН снизился до 3,5-4,0. Изменение PH является еще одним важным фактором поражения древесины вредителями. Другие экстрагированные вещества влияют, например, на изменение расщепляющих ферментов дереворазрушающих грибов.

Сопутствующие вещества, содержащиеся в немодифицированной древесине (например, эфирные масла, терпены и т. д.), практически разрушаются в процессе термической модификации, что также влияет на защиту древесины. Насекомые-древоточцы узнают сосны по запаху терпенов и таким образом определяют подходящее место для откладывания яиц. Однако аромат терпена полностью удаляется после термической модификации. Фактически модифицированная древесина для насекомых не пахнет.

Еще одним аспектом, сопровождающим термическую модификацию древесины, является запах печеного или горелого дерева, который появляется после завершения процесса. Хотя запах со временем исчезает, он, вероятно, никогда не исчезнет полностью, хотя человеческое обоняние почти его не улавливает. Некоторые утверждают, что запах модифицированной древесины напоминает живым организмам огонь и горящую древесину, а инстинкт самосохранения подсказывает им избегать эта среда. Однако влияние этого фактора на действие вредителей еще научно не исследовано.

Результаты и отправные точки борьбы с вредителями

Область промышленной термической модификации древесины все еще относительно молода, и потребуется много дальнейших исследований и испытаний, чтобы определить более точные свойства продукта. Одним из рассматриваемых свойств является именно перечень биотических вредителей, от которых данный продукт защищен.

Вопрос на будущее заключается в том, будет ли в достаточной степени развиваться рынок модифицированной древесины. С ростом спроса также будет возрастать потребность в более точной информации о свойствах модифицированной древесины и, в идеале, в увеличении финансирования исследований и испытаний.

Текущие испытания термически модифицированной древесины в основном носят эмпирический характер. Полевые испытания приносят результаты, но иногда не хватает достаточной теоретической базы. Общепринято, что термомодифицированная древесина – это древесина, подвергнутая воздействию температуры 220°С в течение 3 часов. Модифицированный таким образом материал проявляет очень хорошую устойчивость к деградации древесины биотическими агентами, т.е. насекомыми и грибками.

Эмпирические испытания доказывают, что после термомодификации древесина устойчива к Anobium punctatum (Мебельный точильщик) и Lyctus brunneus (Древогрыз тёмно-бурый). Напротив, результаты защиты от атак термитов, например, неудовлетворительны.

Наиболее изучены поражения дереворазрушающими грибами следующих трех видов: Coniophora puteana (Кониофора обыкновенная), Poria placenta и Coriolus versicolor (Траметес разноцветный). И C. puteana и P. placenta являются грибами бурой гнили, но испытания показали, что тепловая модификация сосны обыкновенной при той же температуре и продолжительности модификации намного эффективнее против C. Puteana, чем против P. Placenta. Деградация гемицеллюлозы и модификация целлюлозы предполагаются как компоненты, которые разлагают грибы бурой гнили, но те же тесты для C. versicolor, представителя грибов белой гнили, не показали повышенной устойчивости при той же температуре и времени. Наоборот, при модификации сосны монтерейской в ​​тех же условиях повышение устойчивости к C. versicolor было значительным.

Испытания показали, что эффективность защиты древесины больше зависит не от вида грибков, а от породы древесины, температуры и времени термической модификации.

Современность и истоки термомодификации древесины

Хотя авторы предлагают различные объяснения того, почему термическая модификация защищает древесину, в некоторых случаях это часто предположения или гипотезы. Наверное, никто не может с абсолютной точностью описать, что на самом деле происходит в древесине при данной температуре.

Все процессы настолько сложны, что овладение их теоретическими основами является очень сложной задачей. Современные тенденции отают предпочтение полевым испытаниям. Дальнейшее изучение химических реакций, происходящих в древесине при термической модификации, и точное определение ферментов, с помощью которых биотические вредители разлагают древесину, возможно, укажут другое направление. Однако идеальная процедура определения влияния термомодификации древесины на каждую отдельную породу древесины, каждого биотического вредителя и одновременная оптимизация самого процесса модификации в настоящее время немыслима.