Термически модифицированная древесина — это обработанная древесина , модифицированная контролируемым процессом пиролиза древесины, нагретой до (> 180 °C) в атмосфере, не содержащей кислорода . Этот процесс изменяет химическую структуру компонентов клеточной стенки древесины: лигнина , целлюлозы и гемицеллюлозы , что снижает ее гигроскопичность и, таким образом, увеличивает размерную стабильность. [1] Низкое содержание кислорода предотвращает возгорание древесины при таких высоких температурах. Несколько различных технологий используют различные среды, включая газообразный азот, пар и горячее масло. Все процессы в некоторой степени ухудшают прочность и ударную вязкость обработанной древесины .
В 1946 году Лесная служба США провела частично успешные эксперименты по погружению древесины в жидкий металлический сплав (цинк, свинец и кадмий) для получения термостабилизированного продукта (предложено назвать его staybwood ) и пришла к следующему выводу:
«Значительная степень размерной стабилизации и стойкости к гниению может быть придана древесине сухим теплом. Это может быть достигнуто в широком диапазоне температур и времени, время нагрева быстро уменьшается с ростом температуры.
Такая термообработка вызывает серьезную потерю прочностных свойств, особенно ударной вязкости и стойкости к истиранию. Когда древесина нагревается под поверхностью расплавленного металла, потеря прочности для любой противоусадочной эффективности меньше, чем при нагревании на воздухе. Потеря прочности все еще слишком велика, чтобы сделать этот метод коммерчески применимым для получения размерной стабилизации древесины, за исключением, возможно, некоторых нестандартных применений, где прочность имеет относительно небольшое значение». [2]
Процесс термической модификации прессованной древесины со средней влажностью был описан в статье Бурместера в 1973 году. [3]
На сегодняшний день существует пять различных процессов термической модификации. Финляндия производит термодревесину , также известную как древесина премиум-класса . Франция использует процесс Les Bois Perdure Retification, Нидерланды используют процесс Plato, а Германия использует масляно-термическую обработку. Процессы Westwood и AlphaInterloc являются запатентованными технологиями в США. [1]
Три из процессов выполняются в один этап с использованием масла (обработка маслом и теплом), азота (древесина Reti) и пара (Le-Bois Perdure). [1] Процесс Thermo Wood состоит из сушки, тепловой обработки и, наконец, охлаждения/кондиционирования и занимает до 72 часов. [4] Процесс Plato состоит из гидротермолиза, сухого отверждения и кондиционирования и может занять до 7 дней. Необходимое время зависит от породы древесины, ширины и исходной влажности. [5]
Westwood — самый передовой современный процесс термомодификации, запатентованный в 2004 году. Первоначально процесс был разработан для обработки твердых пород древесины, которые сложнее по сравнению с мягкими породами древесины из-за термохимических реакций, возникающих в твердых породах древесины во время термообработки. Полностью автоматизированная система управления Westwood позволяет управлять термообработкой любых твердых и мягких пород древесины. [6]
Процесс AlphaInterloc — это передовой термохимический, экзотермический запатентованный процесс, ожидающий рассмотрения и защищенный авторским правом 2022. Этот процесс использует специализированный термомеханический процесс. Процесс AlphaInterloc — это полностью зеленая технология. [7]
Ретификация происходит от французского слова rétification , которое является гибридом слов réticulation (создание химических связей между полимерными цепями) и torréfaction (обжарка). Древесина в этом процессе должна иметь влажность 12% или ниже, что может быть достигнуто с помощью простых процессов сушки. Затем древесину помещают в атмосферу с высоким содержанием азота с содержанием кислорода не более 2%. [8] Процесс Perdure относительно похож на ретификацию, но удерживает древесину при более низкой температуре. [9]
Этот процесс похож на обработку Les Bois Perdure, поскольку он использует паровую среду при атмосферном давлении для обработки древесины. Однако этот процесс может быть использован и на «зеленой» древесине и был наиболее широко используемым коммерческим процессом по состоянию на 2004 год. [5] [10]
Настоящий промышленный процесс ThermoWood был разработан в Финляндии в 1990-х годах. Процесс был запатентован. ThermoWood является зарегистрированной торговой маркой, принадлежащей Международной ассоциации ThermoWood. Юридическое право на использование торговой марки ThermoWood принадлежит постоянным членам ассоциации. [11] Новый Справочник по ThermoWood был опубликован в мае 2023 года. [12]
Главное преимущество заключается в том, что хвойную древесину можно использовать в приложениях, требующих высокой прочности. Класс прочности 1–3, согласно европейскому стандарту EN 350-2, можно получить из непрочных (класс 5) хвойных пород. [13]
Главным недостатком является то, что прочность снижается в результате высоких температур. В целом прочность на изгиб снижается до 30% с большим снижением при более высоких температурах. [14]
Улучшается биологическая стойкость против некоторых (не всех) микроорганизмов и насекомых. Однако из-за распада летучих органических соединений (ЛОС) могут также снижаться антимикробные свойства древесины. [15] Усадка и разбухание уменьшаются до 50–90%. [16] Обработанная древесина несколько темнеет по цвету.
В принципе, процесс термообработки можно проводить на всех породах древесины.
Термически модифицированная древесина в наши дни — это не просто академическая тема. Термическая обработка древесины уже проникает на рынок в течение ряда лет. Также существует некоторый промышленный вклад в исследования и разработки. Научно-исследовательский институт природных ресурсов при Университете Миннесоты в Дулуте имеет пилотную печь для исследования эффективности термической модификации на породах деревьев Миннесоты с целью расширения рынков древесины. [17]
В индустрии производства гитар этот процесс называется «термообработка», «запекание» и «обжарка» и другими названиями. [18] Некоторые производители гитар начали использовать акустические деки и накладки грифа электрогитар, которые подвергаются термической обработке, чтобы предотвратить типичную деформацию и растрескивание, которые часто возникают из-за сезонных колебаний влажности. [19] В качестве дополнительного преимущества акустические гитары, как правило, звучат как хорошо обкатанные старые инструменты гораздо раньше, чем гитары, не прошедшие термическую обработку. Подробнее см. в разделе Tonewood: Подготовка .
В Европе производство термомодифицированной древесины в коммерческих масштабах в основном сосредоточено в Эстонии. Эстония географически близка к основным финским производителям термопечей, в то время как затраты на рабочую силу и накладные расходы ниже, чем в Финляндии или скандинавских странах. Три основных эстонских производителя термомодифицированной древесины появились в конце 1990-х годов: Brenstol OU, Tre-Timber OU и Ha-Serv. Все три компании сосредоточились на поставке материалов для саун на финский рынок и внутренних напольных покрытий — Brenstol специализировалась на лиственных породах древесины, а Tre-Timber — на хвойных. В начале 2000-х годов Brenstol приобрела Tre-Timber, став крупнейшим производителем термомодифицированной древесины. [20]
Примерно в это же время рынок термомодифицированной древесины значительно расширился от ее традиционного применения в материалах для саун, включив в него наружные изделия, такие как настилы (террасы) [21] и облицовка (сайдинг). [22] В то время как Ha-Serv продолжала фокусироваться в первую очередь на финском рынке саун, Brenstol создала бренд Thermory и начала экспортировать его по всей Европе и в Японию, и Thermory стала наиболее широко узнаваемым брендом термомодифицированной древесины в этих регионах. [23] Рынок термомодифицированных наружных изделий рос очень быстро, поскольку европейские потребители все чаще искали альтернативы тропической древесине из Азии, Африки и Южной Америки. Турецкий производитель Nova Wood также начал производить термомодифицированную древесину и стал второстепенным игроком на европейских рынках.
В 2012 году Brenstol основала дочернюю компанию в США, Thermory USA, и начала активно расширяться на рынках по всему миру. Бренд Thermory прочно обосновался в США и Канаде и поставляется в более чем 55 стран по всему миру. [24] В 2016 году выручка Thermory составила 29 млн евро, а прибыль — 1,8 млн евро. [25]
Небольшие местные производители продолжают появляться в каждом регионе, но существуют высокие барьеры для входа на рынок термомодифицированной древесины, особенно для термомодифицированных твердых пород древесины. Правильное оборудование для термомодификации чрезвычайно дорого. Кроме того, поскольку технология не очень хорошо известна, общедоступной информации о графиках сушки мало, и многие новые производители термомодифицированной древесины сталкиваются с большим % дефектов сушки, обесцвечиванием, хрупкостью, неисправностями оборудования (включая пожары) и неспособностью получить высокие рейтинги долговечности, которых достигли более известные производители, такие как Brenstol (Thermory). В 2018 году Thermory приобрела Ha-Serv, став лидером рынка в сегменте термомодифицированной древесины. [26]
Последние исследования процесса термомодификации показали, что окрашивание древесины во время термообработки не является необходимым, что приводит к ее долговечности и стабильности: реакции, которые отвечают за изменение цвета во время модификации, отличаются от реакций, которые отвечают за долговечность. Не вся коричневая древесина должна считаться действительно термомодифицированной. [27]
Продолжаются исследования [28] по оптимизации промышленных процессов и различных параметров для его производства и разработки приложений для этой древесины. Также ведутся исследования по поиску новых процессов термообработки древесины, даже попытки объединить различные процессы модификации древесины.
AlphaInterloc — компания, которая занимается разработкой современных технологических процессов и проектированием оборудования в США и Северной Америке. [7]
Членам Международной ассоциации термодревесины разрешено использовать слово ThermoWood® и официальный логотип ITWA. Члены сотрудничают в области стандартизации, контроля качества и исследований с целью улучшения использования продукции ThermoWood.