Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет
ВЫПОЛНЕНИЕ ПРОЕКТА В МАТЕРИАЛЕ Термодревесина Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ
Электронное издание
Красноярск СФУ 2016
УДК 745.51(07) ББК 85.125.5я73 В927 Составитель:
В927
Звонарева Полина Павловна Орлов Александр Анатольевич
Выполнение проекта в материале. Термодревесина : учеб.метод. пособие к выполнению лабораторных работ [Электронный ресурс] / сост. П.П. Звонарева, А.А. Орлов. – Электрон. дан. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. – 17 с. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM; Windows 98/XP/7/8/10; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.
Приводятся технологии получения и свойства термомодифицированной древесины. Рассмотрены особенности механической обработки, отделки и применения термодревесины в мебельных изделиях. Предназначено для бакалавров направления подготовки 54.03.01 «Дизайн». УДК 745.51(07) ББК 85.125.5я73 © Сибирский федеральный университет, 2016 Электронное учебное издание Подготовлено к публикации издательством Библиотечно-издательского комплекса Подписано в свет 8.04.2016. Заказ № 1085 Тиражируется на машиночитаемых носителях Библиотечно-издательский комплекс Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел. (391) 206-26-67; http://bik.sfu-kras.ru E-mail:
[email protected]
Содержание
Введение .................................................................................................................. 4 1. Характеристика и применение термодревесины ............................................. 4 2. Оборудование и технологии получения термодревесины ............................. 7 3. Классификация термообработанной древесины ........................................... 14 4. Механическая обработка термодревесины .................................................... 15 Библиографический список ................................................................................. 17
3
Введение Основная цель курса «Выполнение проекта в материале» - формирование целостного представления бакалавра о видах и техники выполнение мебельных соединений, а также самостоятельное выполнение мебельного изделия в материале. Выполнение мебельного изделия в материале будет содействие приобретения бакалавром общекультурных (ОК-1, ОК-14) и профессиональных компетенций (ПК-1; ПК-2; ПК-3; ПК-4; ПК-5; ПК-6). При самостоятельном изготовлении мебельного изделия студент выбирает соответствующие проекту материалы и фурнитуру. Одним из новых мебельных материалов набирающих все большую популярность у дизайнеров является термомодифицированная древесины (термодревесина). В данной работе дается подробная характеристика классов термодревесины, и указываются области их применения. Кратко приведены основные технологии и оборудование термомодификации древесины. Подробно рассматриваются особенности механической обработки и отделки термодревесины. Качество усвоения курса студентом «Выполнение композиции в материале» проверяется путем сдачи зачета. К итоговой аттестации допускается студенты, успешно выполнившие и защитившие лабораторные работы, в которых возможно применение нового материала - термодревесина. 1. Характеристика и применение термодревесины Древесина, наравне с камнем и глиной, была одним из первых строительных материалов в истории человечества. И по сей день человек стремиться окружить себя изделиями из дерева, т.к. они несут в себе тепло и уют домашнего очага. Но в последнее время натуральное дерево всё больше и больше заменяется на пластик и керамику соответствующей расцветки. Это связано с тем, что под воздействием влаги и колебаний температуры древесина быстро приходит в негодность: чернеет, деформируется, покрывается грибком и плесенью. В отличие от пластика и керамики дерево требует постоянного внимания и кропотливого ухода, а химически обработанная древесина отрицательно влияет на здоровье человека. Но сравнительно недавно был разработан новый способ обработки древесины с целью улучшения её свойств без использования химических добавок – метод термообработки. Так появилась “термодревесина”, т.е. древесина обработанная водяным паром (в качестве защитного газа) под воздействием высоких температур (150-230 °С). Основная масса термодревесины производится в Финляндии, но и в России начал развиваться этот рынок. Находясь в данный момент на начальной стадии, отечественный рынок термодревесины имеет объем около 4
8000 м3/год. Сегодня в России термодревесина представлена не только импортной продукцией, но и отечественной. Причем импорт термодревесины постепенно сдает свои позиции. Для изготовления термодревесины в России используют мягкие и твердые породы древесины: сосну, березу, ель, кедр, пихту, ясень, лиственницу, бук, клен, липу и др. Широкое применение получила термодревесина из твердых пород, которые выгодно отличаются насыщенным цветом и качеством поверхности. Твердые породы древесины чаще всего используют для внутренней отделки помещений (напольные покрытия, отделочные стеновые материалы и т.п.). После термообработки древесина приобретает более темный цвет, улучшаются био- и влагостойкость. Термодревесина имеет пониженные показатели влагопоглощения в отличие от необработанной древесины, не выделяет смолу (смола кристаллизуется). Повышенная биостойкость (в 25 раз снижен риск поражения грибами, плесенью и животными организмами) делает данный материал незаменимым при отделке общественных банных комплексов. При таких функциональных преимуществах термодревесина к тому же является высоко экологичным, безопасным по отношению к человеку гипоаллергенным материалом. Как ранее было отмечено, термодревесина имеет высокую влагостойкость, поэтому, целесообразно применение этого материала для изготовления изделий, эксплуатирующихся, непосредственно на открытом воздухе. На рисунке 1.1 представлен пример такого изделия.
Рисунок 1.1 – Окно из термодревесины Оконная рама из термодревесины не разбухает и, в отличие от обычных рам, не требует дополнительной защиты и многократной покраски в течение многих лет эксплуатации. Кроме того, термодревесина существенно лучше по показателю теплопроводности, чем натуральная древесина, что позволяет снизить потери тепла зимой и сохранить прохладу летом. Необходи5
мо также отметить высокие декоративные свойства термообработанной древесины. На рисунке 1.2 представлена входная дверь из термодревесины.
Рисунок 1.2 – Входная дверь из термообработанного бука Благородный оттенок, постоянство геометрических размеров и экологичность делает термодревесину бесспорным лидером среди прочих материалов. Устойчивость к истиранию и равномерность цвета по всей структуре, а также стойкость к механическим повреждениям ставят этот материал вне конкуренции при отделке полов в помещениях самого высокого уровня.
Рисунок 1.3 – Фасад здания из термодревесины Плотная однородная структура и стабильность размеров термодревесины придает полу неповторимый ультрасовременный вид без щелей и необходимости дополнительных стяжек. Термически обработанная древесина может сочетаться с доской из обычного дерева, создавая красивый рисунок и предоставляя дизайнеру обширное поле для фантазии. Делая вывод о наибо6
лее популярной сфере применения термодревесины можно сказать, что данный материал идеален для наружного использования (рисунок 1.3). Ограждения, садовая и парковая мебель, предметы ландшафтного дизайна, детские игровые комплексы из термодревесины можно увидеть на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 – Садовая мебель из термообработанной древесины Неоспоримым преимуществом термообработанной древесины является то, что она в меньшей степени подвержена влиянию ультрафиолетовых лучей, поэтому срок эксплуатации без ремонта покрытия (покраска, покрытие лаком и т.д) увеличен в 1,5-3 раза. Термодревесина идеально подходит для использования ее в качестве садовой и парковой мебели. Это долговечный, красивый материал, не меняющий своей геометрии, не гниющий и не требующий постоянного ухода или замены. Наиболее значимыми свойствами термодревесины являются ее атмосферо-, биостойкость, стабильность размеров, экологичность, высокие декоративные свойства, а также повышенная устойчивость к истиранию. 2. Оборудование и технологии получения термодревесины 2.1 Технология термообработки древесины в Финляндии На основании методики, разработанной VTT, была создана технология термообработки обработки древесины (ThermoWood®). Основными фазами этого процесса являются: высокотемпературная сушка, термообработка, кондиционирование. Сушка является наиболее продолжительным этапом термообработки. Во время этой фазы содержание влаги в древесине снижается почти до нуля перед началом фазы термообработки. Продолжительность фазы сушки зависит от начального содержания влаги в древесине, породы дерева, а также от сечения пиломатериалов. В качестве сырья используется как свежесрубленная, так и высушенная древесина. 7
Термообработка древесины осуществляется в закрытой камере, температура внутри которой поднимается до 185 – 215ºC в зависимости от уровня обработки. Фаза термообработки начинается непосредственно после фазы высокотемпературной сушки. Пар применяется при сушке и термообработке в качестве защитной среды. Защитная среда не допускает горения древесины, а также влияет на химические изменения, происходящие в древесине. Фаза термообработки длится 2 – 3 часа. Охлаждение – конденсация производится после термообработки. Древесина охлаждается и при этом процесс тщательно контролируется. На данном этапе производится выравнивание разности температур материала и окружающего воздуха, а также увлажняется материал во избежание растрескивания. В настоящее время в Финляндии действует 8 заводов термообработки древесины и один весьма большой завод находится на стадии строительства. Производительность этих восьми заводов - 50 000 м3/год термодревесины. Оборудование для термообработки изготавливается из нержавеющей стали. Кроме того, высокотемпературный режим предполагает применение нестандартных турбокомпрессоров и радиаторов, а также предохранительных механизмов. Пример такого оборудования показан на рисунке 1.6.
Рисунок 1.5 – Диаграмма термообработки методом VTT Для создания необходимого уровня температуры агента обработки в технологии термообработки древесины можно использовать системы масляного отопления с применением биотоплива, мазута или газа. В Финляндии есть уже один завод термообработки, который использует кору, опилки и отходы в качестве топлива. Также применяются другие решения, например, прямой электронагрев. Кроме того, применяемое в технологическом процессе оборудование должно предусматривать парогенератор. Газы, испаряющиеся из древесины в процессе обработки, перерабатываются, например, сжигаются. Также необходимым условием обработки является предотвращение неприятного запаха от компонентов, испаряющихся из древесины. Для обеспечения равномерной вентиляции используется вентилятор обеспечивающий скорость циркуляции до 10 м/с. В камере монтируются датчики 8
температуры, которые позволяют адекватно контролировать процесс термообработки. В Финляндии самые распространенные породы, используемые для термообработки, являются сосна, ель, береза и европейская осина, хотя другие породы также используются. Процесс термообработки отличен для каждой породы, и заключительный результат разный из-за различных химических составов и микроструктуры клеток.
Рисунок 1.6 – Камера, применяемая для получения термодревесины Химические изменения, происходящие в древесине в процессе термообработки, были исследованы Хельсинкским Университетом Технологий в период с 1998 по 2001 гг. Опубликован ряд научных трудов в рамках совместного проекта, озаглавленного «Механизмы реакций модифицированной древесины» [1]. Схема химических реакций происходящих в процессе термообработки представлена на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 – Механизмы реакций происходящих в процессе термообработки древесины 9
Основные компоненты древесины (целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин) под воздействием тепла разрушаются по-разному. Целлюлоза и лигнин разрушаются более медленно и при более высокой температуре, чем гемицеллюлоза. Экстрактивные вещества разрушаются легче и испаряются из древесины во время термообработки. Вследствие изменения химического состава древесины можно предполагать об изменение её физикомеханических свойств после термообработки. Подвергнутая термообработке древесина имеет меньшую плотность, чем необработанная древесина. Это происходит главным образом из-за изменений массы образца при обработке по мере того, как древесина теряет влагу содержащуюся в ней. На приведенном ниже рисунке 1.8 показано снижение плотности древесины сосны по мере повышения температуры обрабатывающей среды.
Рисунок 1.8 – Воздействие температуры среды на плотность сосны Принимая во внимание то, что термодревесина является хорошим материалом для применения его в производстве паркетных изделий, поэтому на рисунке 1.9 представлен график, показывающий воздействие температуры обработки на твердость древесины по Бриннелю.
10
Рисунок 1.9 – Воздействие температуры обработки на твердость древесины по Бриннелю Было выявлено, что термообработка существенно снижает разбухание в радиальном и тангенциальном направлениях. На рисунках 1.10 и 1.11 приведены зависимости величин радиального и тангенциального разбухания от относительной влажности обрабатывающей среды.
Рисунок 1.10 – Зависимость величины радиального разбухания от относительной влажности термодревесины
11
Рисунок 1.11 – Зависимость величины тангенциального разбухания от относительной влажности термодревесины Величина разбухания является очень важным показателем в ходе эксплуатации термодревесины в качестве паркетного изделия. Так от разбухания зависит в первую очередь эстетический вид изделия, так как вследствие этого негативного фактора могут появляться щели в полу, что несомненно портит его вид. 2.2 Технология термообработки древесины в Нидерландах Развитие тепловой обработки древесины привело к появлению нескольких процессов термообработки древесины в Нидерландах. В процессе термообработки «Plato» применяется комбинация периодов гидротермолиза с периодом высыхания материала. Воздействие гидротермолиза в обработке «Plato» является следствием различных химических преобразований. В период гидротермолиза в камере поддерживается среда с повышенной влажностью. На первом шаге гидротермолиза агент обработки нагревается до температуры 160 - 190 °C под избыточным давлением. Далее следует процесс высыхания древесины до влажности около 10 %. На второй стадии древесину нагревают до температуры 170 - 190 °C. Продолжительность процесса обработки зависит от породы, толщины, формы древесины и т.д. На рисунке 1.12 приведена гистограмма показывающая разницу модуля упругости у термообработанной древесины по сравнению с натуральной.
12
Рисунок 1.12 – Модуль упругости некоторых пород до и после термообработки Установлено снижение модуля упругости термодревесины разных пород в пределах от 5 до 18 %. Более ранние исследования этого вопроса показали более значительную (до 50 %) потерю модуля упругости. Это существенно ограничивает использование термодревесины в столярном деле. Термообработанная древесина имеет более низкую гигроскопичность. Гигроскопичность – самая показательная особенность древесины вместе с размерной стабильностью и долговечностью. 2.3 Технология термообработки древесины во Франции В настоящее время во Франции применяются два базовых процесса термообработки древесины. Первый, «Ретификэйшн», был развит «Экоул дес Шахты де СентЭтьен» лицензии и патенты, на который были приобретены компанией «NOW». Процесс начинается с термообработки в камере до 210 - 240°C в атмосфере азота с меньше чем 2 % содержанием О2, древесины, предварительно высушенной приблизительно до 12 % влажности. Индустриальная камера была изготовлена компанией «РЕЙ». Три завода работающие по этой технологии находятся уже в действии с производительностью 3 500 м3/год. Второй процесс производится в камере разработанной компанией «BCI-MBS». Отличительной особенностью этого процесса является обработка свежераспиленной древесины. Первый шаг процесса состоит в сушке сырой древесины и далее материал нагревают до 230°C в паровой атмосфере, полученной из влаги, содержащейся в древесине. 13
3. Классификация термообработанной древесины Поскольку их свойства четко различны, мягкие и твердые породы дерева имеют отдельную классификацию. Существует два класса термообработки. Иметь более двух классов нецелесообразно, поскольку свойства древесины поначалу, по мере увеличения температуры, меняются медленно. Как только температура термообработки превышает 200 oC, свойства древесины начинают изменяться очень быстро. Применение более, чем двух классов может создать риск смешивания свойств различных классов. Температура обрабатываемой среды на уровне 215 oC достаточна, чтобы воздействие термообработки на структурные свойства древесины было существенным. Термообработка древесины предусматривает два принятых за рубежом стандартизированных класса: «Thermo S» и «Thermo D». «Thermo S». «S» в данном термине означает «стабильность». Наряду с внешним видом стабильность является ключевым свойством для конечных областей применения соответствующей продукции, прошедшей данный тип обработки. Среднее значение разбухания в касательном направлении древесины, прошедшей обработку класса «Thermo S», составляет 6 – 8%. Рекомендуемые области конечного применения для древесины, прошедшей термообработку класса « Thermo S » приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Применение термодревесины класса «Thermo S» «Thermo S» - для мягких пород
«Thermo S» - для твердых пород
Строительные комплектующие
Отделка
Отделка в сухих условиях
Крепежные изделия
Крепежные принадлежности в сухих условиях
Мебель
Мебель
Напольные покрятия
Садовая мебель
Принадлежности для сауны
Мебель для сауны
Садовая мебель
Комплектующие для дверей и окон
« Thermo D ». «D» в данном термине означает «долговечность». Наряду с внешним видом долговечность является ключевым свойством для конечных областей применения соответствующей продукции, прошедшей данный тип обработки. Среднее значение разбухания для древесины, прошедшей обработку класса «Thermo D » составляет 5 – 6 %. Рекомендуемые области конечного применения для древесины, прошедшей термообработку класса « Thermo D » приведены в таблице 1.2.
14
Таблица 1.2 – Применение термодревесины класса «Thermo D» «Thermo D» - для мягких пород
«Thermo D» - для твердых пород
Облицовка
Отделка
Наружные двери
Крепежные изделия
Жалюзи
Мебель
Природоохранные конструкции
Напольные покрятия
Отделка саун и бань
Принадлежности для сауны
Напольные покрытия
Садовая мебель
Садовая мебель
4. Механическая обработка термодревесины Термодревесина более восприимчива к механическим повреждениям, чем необработанная древесина. Поэтому термодревесина требует аккуратного обращения при обработке. В связи с появлением при механической обработке мелких частиц древесной пыли, рекомендуется использовать защищающие дыхание средства, а также необходимо обеспечить надежную систему пылеудаления в рабочих помещениях. Пиление. Распиловка термодревесины не отличается от пиления необработанной древесины. Вследствие улучшения стабильности размеров термодревесина обладает незначительным изменением формы. При термообработке смола удаляется, поэтому не возникает проблем с “засмаливанием” режущего инструмента и оборудования при распиловке термодревесины. Строгание. Строгание термодревесины возможно на штатном строгальном оборудовании. При строгании можно достичь высокого качества обрабатываемой поверхности. При установке на строгальном оборудовании рабочих значений, следует выбирать значения подходящие для твердых пород древесины. Подающие вальцы необходимо отрегулировать таким образом, чтобы материал не растрескивался под их давлением. Фрезерование. Для получения хорошего конечного результата режущий инструмент должен быть в хорошем состоянии. Наибольшая опасность возникновения вырывов на поверхности заготовки может быть на начальном и конечном этапах фрезерования. Шлифование. Процесс шлифования термодревесины не отличается от шлифования обычной древесины. Часто процедура шлифование не требуется вовсе, т.к. качество поверхности после строгания и фрезерования достаточно хорошее. Термодревесина не содержит смолу, поэтому лента для шлифования дольше сохраняется в рабочем состоянии. Отделка поверхности. Для сохранения первоначального цвета термодревесины, а также для предотвращения появления на поверхности трещин 15
рекомендуется такая обработка поверхности, которая обеспечивает защиту от ультра-фиолетового излучения. Вещества на маслянной основе для обработки поверхности действуют таким же образом, как и на поверхности необработанной древесины. Вещества на водяной основе для обработки впитываются медленнее, поэтому рекомендуется применять составы с длительной продолжительностью высыхания. Склеивание. Действие клеев группы ПВА основывается на свойстве древесины впитывать влагу. В связи с этим, применения клеи ПВА, рекомендуется создавать более длительные условия прижима склеиваемых поверхностей и отвердения клеевого слоя. Также рекомендуется применять клеи с минимальным содержанием влаги. Полиуретановые клеи хорошо взаимодействуют с термодревесиной. Все же для застывания этих клеев требуется влага, которую получают либо из древесины или с окружающего воздуха. Механический крепеж. Термообработка снижает прочность древесины. При креплении шурупами следует предварительно высверливать отверстия. В качестве крепежных шурупов рекомендуется использовать шурупы с увеличенным шагом резьбы. При монтаже гвоздями следует следить, чтобы удары молотка приходились на шляпку гвоздя во избежание опасности растрескивания древесины. Гвозди следует вбивать на достаточном удалении от края изделия или использовать предварительное сверление. При работе с пневматическим молотком следует отрегулировать силу удара так, чтобы гвозди достаточно, но не слишком глубоко входили внутрь изделия. Во избежание окрашивания в качестве крепежных элементов, во влажной среде рекомендуется применять крепеж из нержавеющей стали.
16
Библиографический список 1. ThermoWood® handbook. [Электр. ресурс]. Руководство по термической обработке древесины. – 2003. Режим доступа. www.thermowood.fi. 2. Бодров, Ю. Превращение древесины в термодерево/ Ю. Бодров// Дерево.ru. – 2007. - №6. – С.40-41. 3. West-wood®. Reviev on heat treatments of wood. – Режим доступа: www.west-wood.ru. 4. Налимов, Н. Термодревесина/ Н. Налимов // ЛесПромИнформ. – 2008. - №9. – Режим доступа: www.LesPromInform.ru.
17