Технология производства композиционного материала на основе термомодифицированного древесного шпона

УДК 674.04

Т. А. Бодылевская, К. А. Бодылевский, С. Х. Багаутдинова, В. И. Петров

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОГО ДРЕВЕСНОГО ШПОНА

Ключевые слова: степень термомодифицирования, древесина, декоративный материал, шпон.

В статье описана технология производства декоративного композиционного материала, полученного путем склеивания разноцветных листов шпона малоценных пород древесины. Окрашивание предложено проводить термомодифицированием, что позволит получить естественные оттенки, характерные для ценных древесных пород, без использования химических веществ, с целью придания новому материалу улучшенных свойств, таких как размеростабильность, влагостойкость, биостойкость и долговечность. Предлагаемый декоративный материал при дальнейшей механической обработке будет раскрывать свою текстуру, благодаря чему он может быть использован как основа для производства сувенирной продукции или декоративных панелей с разнообразным рисунком.

Keywords: degree thermomodifying, wood, decorative material, veneer.

The article describes the technology of production of decorative composite material obtained by gluing colored veneer sheets of low-value timber. Staining invited to conduct thermomodifying that will provide natural shades that are typical of valuable tree species, without the use of chemicals, with the aim of giving new material improved properties, such as dimensionally, moisture resistance, biological stability and durability. Proposed decorative material during further machining will disclose its texture, so that it can be used as a basis for the production of souvenirs or decorative panels with a variety of patterns.

Введение

Дерево - технологичный, дешёвый, экологически чистый материал, использующийся во многих областях жизнедеятельности человека. Доступность, высокие физико-механические характеристики и декоративные качества обеспечили древесине высокий и стабильный спрос. Декоративные материалы на основе природного сырья, отличаются широким разнообразием фактуры и цветовых решений, это объясняет их востребованность дизайнерами и архитекторами всего мира. Древесина относится к самовозобновляемым ресурсам, а продукцию на ее основе можно назвать «эко-дружественной» для потребителя. Поскольку некоторые древесные породы не обладают выраженной текстурой, но отличаются низкой стоимостью, то можно назвать перспективными декоративные композиционные материалы на их основе.

В то же время, низкая биостойкость и размеростабильность некоторых пород древесины, применение при окрашивании и нанесении защитных покрытий химических веществ - всё это является существенным недостатком, снижающим экологичность и безопасность данного материала. Эти факторы также сокращают срок службы древесины и ограничивают сферы её применения. Существующие проблемы решают защитой поверхности древесины различными материалами создающими влаго- и воздухонепроницаемые плёнки; пропиткой антисептиками; использованием медленно растущих или очень дорогих сортов древесины; созданием композиционных материалов, где в качестве наполнителя используется измельчённая древесина, а в качестве матрицы не безвредные формальдегидные или другие смолы.

Современной альтернативой данным методам является термомодифицирование древесины. Следует отметить, что данный метод кроме существенного повышения устойчивости древесины к воздействию влаги, стабильности геометрических размеров, высокой устойчивости к биологическим поражениям, имеет ещё ряд преимуществ. Основное из них - термомодифицированная древесина изменяет свой цвет на более тёмный (в жёлто -коричневом спектре), по всему объёму материала, чётче выявляется текстура; декоративные качества древесины улучшаются; появляется возможность модифицировать древесину под экзотические породы.

Технология производства декоративного материала на основе термомодифицированной древесины

Технологии термомодифицирования древесных материалов в промышленных масштабах стали применяться относительно недавно (последние 1520 лет). Однако влияние высоких температур на физические свойства древесины, в том числе и изменение цвета, было установлено задолго и нашло широкое применение в декоративной обработке древесины. Например, при работе в технике маркетри, кусочки шпона нагревают в горячем слое песка для создания градиента цвета от темного к светлому или для создания 3 ^эффекта. Данный прием требует высокой квалификации мастера, что определенно ограничивает массовость производства таких изделий. В связи с этим предложено окрашивать древесный шпон

термомодифицированием, сохраняя при этом экологичность материала и придавая ему натуральные оттенки коричневого.

Таким образом, базовым этапом предлагаемой технологии производства декоративного композиционного материала, получаемого путем склеивания разноцветных листов шпона малоценных пород древесины, является его термомодифицирование при повышенных температурах (180-240°С) с целью окрашивания (без применения химических веществ) в натуральные цвета (от светло-бежевого до темно-коричневого), характерные для ценных древесных пород. Технология термомодифицирования подробно представлена в работах Сафина Р.Р., Беляковой Е.А, Хасаншина Р.Р., Бодылевской Т.А., Бодылевского К.А. и др. [1-15].

В результате тепловой обработки древесины происходит изменение химической структуры стенок клеток, уменьшается количество гидроксильных групп, меньше проявляется гигроскопичность древесины и растет ее биостойкость.

Технология производства декоративного композиционного материала, полученного путем склеивания термомодифицированных листов шпона включает следующие этапы:

1. листы шпона модифицируют до требуемой степени термообработки;

2. далее набирают пакет из листов шпона различных оттенков таким образом, чтобы на боковых поверхностях и по всему сечению получаемого материала сформировался заданный рисунок;

3. листы шпона проклеивают и прессуют (связующее может быть прозрачным или цветным для придания материалу дополнительного декоративного эффекта) (рис. 1);

4. далее пакет раскраивают.

Рис. 1 - Схемы формирования пакета из термомодифицированных листов шпона

В результате получают листовой материал, применяемый например, для облицовывания различных изделий или в качестве декоративных панелей с разнообразным рисунком, а также получают объемные заготовки для их дальнейшей обработки на ЧПУ-станках в производстве сувенирной продукции.

Сочетая контрастные цвета шпона в пакете можно добиться имитации текстуры ценных пород, например, светлые и темные параллельные полосы будут выглядеть как годичные слои древесины зебрано (с резкой разницей в ранней и поздней

зонах на радиальном разрезе). Применение термомодифицированных листов древесного шпона позволяет исключить использование химических красителей, что повышает экологичность получаемого композиционного материала (табл. 1).

Таблица 1 - Сравнительная характеристика методов окрашивания древесного шпона

Окрашивание древесины красителями Окрашивание древесины термомодифицированием

1. красители снижают экологичность композиционного материала; 2. возможна химическая реакция красящих веществ со связующим; 3. красители подвержены выцветанию под действием УФ-лучей. 1. окрашивание происходит за счет натуральных компонентов (танниды, красители, камеди, моносахариды, гликозиды), входящих в состав древесины; 2. прогнозируемый цветовой тон в рамках палитры от светло-бежевого до темно-коричневого цвета, характерный для натуральных древесных материалов; 3. цвет композиционного материала стойкий к выцветанию.

Степень термомодифицирования древесины

Для определения степени термообработки были установлены зависимости, описывающие влияние режимных параметров (температуры и времени Т,К и т,час) на степень термомодифицирования древесины Ь:

Ь=а*1пт*1пТ-Ь*1пТ-с*1т^,

где а, Ь, с, d - коэффициенты, зависящие от породы древесины.

Полученные зависимости позволяют получать термодревесину с заранее заданным цветовым решением. Ее применение расширяет возможности по созданию рисунка облицовочного материала, например геометрического или рисунка, имитирующего текстуру натуральной древесины. В ходе проведенных исследований была использована экспериментальная установка для термомодифицирования древесины. В качестве модельных образцов были использованы пиломатериалы древесины березы (БеШ1а Ь.), она относится к группе пород средней плотности (при влажности 12% - 630 кг/м3), обладающих прочной, мягкой, мало стойкой к гниению древесиной. [16]. Результаты исследований по изменению цвета образцов термомодифицированной древесины березы, при температурах 200, 220, 240°С в течении 1, 2, 4 часов представлены в табл.2. Так же были проведены экспериментальные исследования физико-механических свойств термомодифицированной древесины березы, такие как степень усушки и разбухания, способность к водо- и влагопоглощению, ударная твердость, предел прочности при сжатии вдоль волокон, предел прочности при статическом изгибе, изменение степени термомодифицирования.

Полученные результаты показали, что термодерево является натуральным, экологически чистым материалом и отличается от обычно высушенной древесины низкой гигроскопичностью; повышенной устойчивость к воздействиям факторов внешней среды и биоповреждениям; улучшенной формостабильностью.

Таблица 2 - Изменение цвета древесины березы в процессе термомодифицирования

Температура термообработки

200°C

220°C

240°C

Время термообработки

1 час

—I

2 часа

4 часа

При термомодифицировании древесины

наблюдается сложный процесс, протекающий внутри пиломатериала и сопровождаемый изменением цвета материала по всей толщине. Данное явление обусловлено тем, что основные экстрактивные вещества, определяющие цвет древесины (танниды, красители, камеди, моносахариды, гликозиды) вступают в реакцию с уксусной кислотой, в результате чего происходит потемнение материала на молекулярном уровне [2]. Соотношение экстрактивных веществ и пентозанов в значительной степени определяет скорость изменения степени термомодифицирования Ь древесины (рис.2).

Рис. 2 - Скорость изменения степени термомодифицирования древесины березы

Анализ представленных данных подтверждает, что скорость термомодифицирования зависит от температуры обработки и имеет наибольшие значения в начале процесса, когда соотношение экстрактивных веществ и пентозанов максимальное. При этом, например, для высокой степени термомодифицирования температурный диапазон составит от 493К до 513К, а при более низких температурах данная степень термообработки будет

достигнута при продолжительности процесса, начиная от 7 часов и выше.

Заключение

На основании приведенных в статье данных можно сделать вывод, что в процессе термообработки древесина приобретает ряд новых свойств, таких как биостойкость, размеростабильность и равномерное изменение цвета по всему сечению материала. Полученные зависимости степени термообработки от режимных параметров процесса позволяют получать древесину с заранее заданным цветовым решением.

Окрашивание малоценных пород термообработкой позволяет получить естественные оттенки, характерные для дорогостоящих древесных пород, уменьшить вырубку ценных лесов и значительно снизить себестоимость готовой продукции. Технология производства композиционного материала, полученного путем склеивания разноцветных листов шпона малоценных пород древесины, направлена на расширение ассортимента декоративных средств, используемых художниками и дизайнерами при создании сувенирной продукции, декоративных изделий, отделочных панелей и других материалов на основе древесины.

Литература

1. Белякова, Е.А. Исследование процесса термомодифицирования древесины в жидкостях / Е.А. Белякова, Т.А. Бодылевская // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №2. - С.29-32.

2. Белякова, Е.А. Разработка методики классификации термомодифицированной древесины с помощью цветовой гаммы / Е.А. Белякова, Р.Р. Сафин, Т.А. Бодылевская // Деревообрабатывающая промышленность. - 2013. - №1. - С.30-34.

3. Белякова, Е.А. Термомодифицирование твердых пород древесины в жидкостях [Текст]: Дис. канд. техн. наук. / Е.А. Белякова. - Казань, - 2012. - 138 с.

4. Белякова, Е.А. Технология производства текстурированного шпона из термомодифицированной древесины / Е. А. Белякова, Т. А. Бодылевская, К. А. Бодылевский // Вест. казан. техн. ун-та. - 2013. - Т. 16 №22. - С .21-23.

5. Зиатдинова, Д.Ф. Термомодификация древесных материалов / Д.Ф. Зиатдинова, Д.А. Ахметова, А.Л. Тимербаева, А.Р. Хабибуллина // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2014. Т. 17.- №8. - С.94-96.

6. Пат 2453425 RU, МПК B27K3/02 Способ термообработки древесины / Р.Р. Сафин и др.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «КГТУ». - № 2011101723/13; заявл. 18.01.2011; опубл. 20.06.2012 Бюл. № 17.

7. Пат 2453426 RU, МПК B27K5/04 Способ морения древесины и устройство для его реализации / Р.Р. Сафин и др.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «КГТУ». - № 2010154564/03; заявл. 30.12.2010; опубл. 20.06.2012 Бюл. № 17.

8. Разумов, Е.Ю. Математическая модель процесса термомодифицирования древесины труднопропитываемых пород в жидкости / Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова, Р.Р. Сафин // Вест. казан. техн. ун-та. - 2011. - №16. - С.233-239.

9. Разумов, Е.Ю. Математическая модель процессов, протекающих при морении древесины труднопропитываемых пород / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вест. Сарат. гос. техн. ун-та. -

2012. Т 1. - №2с (64). - С.80-86.

10. Сафин, Р.Р. Имитация древесины мореного дуба термомодифицированием / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова // Дизайн. Материалы. Технология. - 2010. - №3. - С.95-98.

11. Сафин, Р.Р. Математическое описание процесса термомодифицирования шпона / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Д.Р. Хазиева // Вест. казан. техн. ун-та. -

2013. Т.16 - №23. - С.79-81.

12. Сафин, Р.Р. Разработка новой технологии получения термодревесины / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Е.Ю. Разумов // Вест. казан. техн. ун-та. - 2011. - №1. - С.157-162.

13. Сафин, Р. Р. Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древесины в жидкостях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Р.А. Халитов, Е.И. Байгильдеева // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2012. Т. 15.- №3. - С.131-133.

14. Сафин, Р. Р. Усовершенствование технологии термомодифицирования древесины ВГКОБ-ТМТ / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2012. Т. 15.- №13. - С.134-136.

15. Сафин, Р.Р. Экспериментальные исследования термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова // Вест. казан. техн. ун-та. - 2011. - №12. - С.241-245.

16. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. 3-е изд. М.: МГУЛ, 2001 г., 333 с.

© Т. А. Бодылевская - асс. каф. АрД КНИТУ; К. А. Бодылевский - магистрант той же кафедры; С. Х. Багаутдинова -магистрант той же кафедры; В. И. Петров - проф. каф. ОХЗ КНИТУ, archiwood@mail.ru.

© Т. A Bodilevskaya - Assistant Dep. ARD KNRTU; K. A. Bodilevsky - Master student Dep. ARD KNRTU; S. H. Bagautdinova - Master student Dep. ARD KNRTU; V. I Petrov - Professor Dep. ECP, archiwood@mail.ru.