Россия самая большая по территории страна мира, в которой таёжные леса занимают площадь 11 млн. кв. км и это самый крупный лесной массив планеты Земля. Основу таёжных массивов составляют хвойные породы древесины пихта, сосна и лиственница, перемешанные берёзой, осиной, ольхой и ивой.

Воронин Борис Юрьевич
директор ООО «ТермоГазСтрой»,
ГИП проекта

Издревле человечество использовало дерево для строительства жилья и в качестве топлива, изготавливало орудия труда и различные поделки. По современным прогнозам европейских учёных древесина и в XXI веке станет самым востребованным экологически чистым материалом при строительстве жилья, изготовлении различных предметов как декоративного, так и утилитарного назначения.

Человечество в течение всего времени своего существования совершенствовало методы и способы обработки древесины, но лишь в 80-ых годах XX века была создана промышленная технология производства различных клеёных изделий и конструкций (КДК). На рисунке 1 представлена фотография стенового бруса из древесины сосны.

Всю продукцию из натуральной клеёной древесины характеризует:

1. Экологичность: за счёт уникальных природных свойств дерева, обеспечивающих естественное кондиционирование помещений;
2. Технологичность: высокая прочность клеевых соединений и возможность изготовления длин до 36 метров, дающих новые возможности при решении архитектурных и дизайнерских замыслов, при этом высокая заводская готовность КДК позволяют в кратчайшие сроки и с минимальными затратами возводить комфортное индивидуальное жильё;
3. Прочность: получаемая за счёт плотной структуры материала и четкости геометрических форм бруса;
4. Надёжность: достигаемая за счёт высоких показателей несущей способности при малом весе, наряду с повышенными показателями сейсмостойкости;
5. Эстетичный внешний вид: мебельное качество поверхности бруса не требует дополнительной отделки. 

Вместе с тем древесина, в том числе клеёная,  имеет весьма существенные недостатки: высокую горючесть, склонность к гниению, гигроскопичность, которая приводит к трещинообразованию и частичной потере несущей способности! Именно эти факторы зачастую останавливает человека при выборе древесины как основного материала для строительства жилья и его отделки.

Рисунок 1.

В 2001г. компания ООО «ТермоГазСтрой» разработала проектно-сметную документацию (ПСД) строительства лесоперерабатывающего комплекса с использованием комплексной технологии глубокой переработки древесины. В 2007г. для увеличения инвестиционной привлекательности проекта за счёт улучшения качественных характеристик клеёных деревянных изделий и КДК, а так же расширения линейки выпускаемой продукции приступили к выполнению корректировки проекта: «Глубокая переработка древесины хвойных пород в высококачественную клеёную продукцию на основе нанотехнологий» [1,2,3,4,6].

Рисунок 2.

Для реализации поставленных задач в рамках проекта были выполнены ряд научно-исследовательских (НИР) и опытно-конструкторских (ОКР) работ, результаты которых позволили выполнить корректировку ПСД, разработать технологию, и конструкторскую документацию (КД) оборудования для производства КДК по новой технологии с улучшенными физико-механическими свойствами из нанокомпозита древесины – нанодревесины [1,4].

Новая технология получения нанокомпозита древесины в процессе вакуумной сушки, пропитки и обработки была опробована в лабораторных условиях в 2009г., а в 2010г. после усовершенствования были получены образцы продукции на лабораторно-промышленной установке. Новая технология позволяет в процессе сушки производить пропитку с последующей обработкой, а так же попутно извлекать «вытяжку» из сибирской лиственницы – сырец арабиногалактана и дигидрокверцетина [1,4].

На рисунке 2. представлен образец сырца «вытяжки» из сибирской лиственницы в сухом виде, состоящий из арабиногалактана,  дигидроквецетина и смолы. На рисунке 3 – сибирская лиственница и пихта до обработки. На рисунке 4 – различные образцы продукции полученной в процессе сушки, пропитки и обработки: сибирская лиственница после сушки и «вытяжки» полезных компонентов; пихта, подвергнутая обработке по новой технологии; в ПЭТ бутылке – водный раствор «вытяжки»; в мерной стеклянной таре водный концентрат «вытяжки»; россыпью – сырец «вытяжки» в сухом виде. 

Рисунок 3.

Дальнейшая переработка – очистка и производство готовой продукции из сырца не составляет особой сложности. Одним из производителей ДГК и различной продукции на его основе на отечественном рынке является компания  ЗАО «Аметис», которая выпускает  широкую гамму продукции под общей маркой названием «ЛАВИТОЛ» [12]. 

Арабиногалактан (arabinogalactan) – это водорастворимый полисахарид разветвленного строения  с высокой молекулярной массой и размерами молекулы около 2 нм. Его растворы обладают пониженной вязкостью, легко проникают в капиллярные системы растительной и животной ткани. Обладает свойствами антипирена. Образует уникальные нанобиокомпозитные комплексы с различными нерастворимыми молекулами, в частности, с дигидрокверцитином, и может переносить такие молекулы вглубь биологической ткани. В технике используются клеящие свойства арабиногалактана для повышения прочности высококачественной бумаги.

Дигидрокверцетин (ДГК) (Dihydroquercetin) – очень сильный антиоксидант, обладающий способностью захватывать свободные радикалы в биологических тканях, и тем самым блокировать реакции окисления, горения, процессы гниения. Препараты на его основе, в США и Европе известные как «таксифолин» (Taxifolin), очень широко используется в медицине для укрепления сосудов, как высокоэффективное сырьё для косметического производства, различных биологически активных добавок (БАД), регуляторов и стимуляторов роста растений и т.д. Техническое применение дигидрокверцитина для предотвращения биологической коррозии внутренней поверхности трубопроводов и в качестве компонентов высококачественных моторных маслах эффективно, однако затратно. Гамма продукции из ДКГ и свойства натурально-природных продуктов достаточно полно представлены на сайте ЗАО «Аметис» [12].

Рисунок 4.

В процессе производства по новой технологии при сушке сибирской лиственницы из её древесины извлекается водный экстракт, содержащий молекулы дигидрокверцетина, заключенные в оболочку из макромолекулы арабиногалактана. Такой уникальный материал с размерами комплексных частиц около 20 нм после модификации используется в проекте для пропитки древесины малоценных пород пихты натуральными антипиренами для повышения сортности и придания новых свойств.

Нанокомпозит древесины или нанодревесину  можно отнести к абсолютно новому классу материалов, а именно к нанокомпозитам на основе пористых материалов или пористым нанокомпозитам [1,2,3,4].

Поскольку понятие нанокомпозит определяется соотношением количества материала нано размера покрывающего поверхность исходного материала, то для пористых материалов это соотношение увеличивается в несколько раз, поскольку общая суммарная площадь поверхностей на нано и микро уровнях увеличивается многократно . Соответственно для пористых нанокомпозитов массовая доля материала, использованного для нано обработки (введённого в пористое вещество), увеличивается в несколько раз. Проведёнными исследованиями установлено, что масса древесины после нанообработки увеличивается на 10–15% max до 35% [4].

Исходя из этого следует ввести новое понятие – пористый нанокомпозит.

Пористый нанокомпозит – это искусственно получаемый материал, состоящий из полимерной матрицы пористого материала естественного или искусственного происхождения, в котором весь объём внутри тела равномерно по поверхностям микро- и макропор, покрыт плёнкой нано размера, придающей материалу дополнительные, отличные от исходного новые свойства.

Количество микро- и макропор в веществах может быть различным, так например, для разных пород древесины количество макро капилляров в среднем колеблется от 25 до 35%, а микро и макро капилляры в сумме составляют до 60% объёма тела древесины, площадь таких капилляров в несколько раз превышает площадь внешней поверхности самого вещества [8,9,10]. На рисунке 5. представлена классическая схема микроструктуры древесины. Как видно из приведённых схем хвойная древесина (на примере сосны) имеет в сравнении с лиственными породами более равномерно распределённую систему микро и макропор.

Рисунок 5.

Нанокомпозит древесины с устойчивыми новыми свойствами получается при содержании в древесине вещества, используемого для пропитки от 8% до 35% от общей массы, и зависит от задаваемых свойств получаемой нанодревесины [4].

Данное утверждение справедливо для пропитывающих веществ на жидкостной (например – водной) основе, способных в процессе обработки (например – вакуумной) проникать на полную глубину в структуру древесины с последующим образованием внутри пор нанослоя вещества. Одним из таких веществ может являться, например антипирен [4,5]. На рисунке 6 представлено фото клеточной стенки древесины пихты под электронным микроскопом с разрешением 1:1350 после обработки антипиреном «Диафос-50». Глубина обработки древесины зависит от заданных параметров обработки и достигает 20–25 мм от поверхности, что достаточно для полной обработки на требуемую полную глубину отдельной пласти КДК и изделия в целом, при изготовлении отдельной пласти КДК из обрезной доски толщиной 36–40 мм.

Рисунок 6.

Проектом разработан уникальный способ значительного улучшения физико-механических характеристик низкосортной древесины пихты путём её пропитки с применением водного раствора арабиногалактана и дигидрокверцетина из «вытяжки» сибирской лиственницы [4]. Глубину и степень пропитки пихты «вытяжкой» из сибирской лиственницы можно определять по увеличению массы и насыщенности цвета обработанного образца (Рисунки 3 и 4).

Проектом предусмотрено для придания свойств огне- и грибостойкости применение различных комбинаций водных растворов из различных компонентов, а так же последовательная обработка древесины (например, обработка ДГК и антипиреном). Научная новизна разработки подтверждена официальным заключением СО РАН (подписано директором института химии твёрдого тела и механохимии Член корреспондентом РАН, главным учёным секретарём СО РАН Ляховым Н.З.) [4]. Работы в направлении изучения структуры твердых пористых тел из растительного сырья ведутся так же в институте химии твёрдого тела и механохимии СО РАН и др. [11].

В результате применения новой технологии в процессе обработки происходит изменение свойств древесины за счёт образования и структурирования водонерастворимых нано размерных молекул на поверхностях микро- и макрокапилляров равномерно по всему телу древесины [1,2,3,4].

В новом материале – нанокомпозите на основе древесины, при сохранении всех положительных свойств натуральной древесины, устранены недостатки, которые сдерживают более широкое её применение в строительстве и других сферах жизнедеятельности человека.

Промышленная технология глубокой переработки древесины на основе нанотехнологий позволяет выпускать новую продукцию – клеёные деревянные конструкции (КДК) из нанокомпозита древесины с уникальными свойствами не присущими древесине в природе [1,2,3,4].

Так при максимальной степени обработки древесины различными комплексными составами, нанокомпозит приобретает новые свойства:

• 1-ю категорию огнезащиты, что соответствует потере массы вещества порядка 1,5–3% при выносе обработанного образца из открытого пламени после 120 минут его нахождения в огне;
• Высший класс грибостойкости, который характеризуется длительным, или практически полным отсутствием воздействия биологически активных микроорганизмов на тело древесины;
• Гидрофобность. Древесина из гидрофильного материала становится гидрофобным, характеризуется полным отсутствием впитывания влаги телом древесины, что в свою очередь приводит к отсутствию разбухания и изменения геометрических размеров материала, вследствие чего не происходит  трещинообразования, при этом тело древесины становится совершенно стабильным по геометрическим размерам во время и после воздействия влаги или влажного воздуха;
• Повышенную плотность и прочность. Увеличение плотности и прочности на 10 – 25% приводит к уменьшению трещинообразования, а с учётом пластических свойств древесины, к увеличению сейсмостойкости изделий и конструкций;
• Увеличенный в 2 раза срок службы. Изделия из нанодревесины за счёт совокупности новых приобретённых свойств древесины как огнестойкость, грибостойкость, гидрофобность, увеличенные плотность и прочность суммарно дают общий эффект увеличения срока службы изделий более чем в 2 раза;
• Дополнительно позволяют улучшить качество последующего лакокрасочного покрытия при уменьшении расхода лакокрасочных материалов более чем в 2 раза.
  

Проект «Глубокая переработка древесины хвойных пород в высококачественную клеёную продукцию на основе нанотехнологий» вошел в комплексный план (КИП) развития г. Новокузнецка до 2020 г. получил официальную поддержку со стороны Полномочного представителя Президента РФ в СФО и Администрации Кемеровской области [6,7].

В настоящий момент времени в г. Новокузнецке силами ООО «ТермоГазСтрой» ведётся строительство завода по глубокой переработке древесины хвойных пород в высококачественную продукцию на основе нанотехнологий, освоено более 430 млн. руб. капитальных вложений.

Для производства наноструктурных строительных материалов: стеновых и несущих конструкций, балок, мебельного щита, различных профилей, оконных и дверных блоков в проекте реализуется ключевая технология предварительной вакуумной сушки, пропитки и обработки древесины.

Основные ТЭП завода:

1. Годовой объём производства – 60 тыс. м3/год;
2. Годовая реализация с экспортом – 2.533,0 млн. руб.;
3. Чистая приведенная стоимость по проекту (NPV_project) 1.605,2 млн. руб.;
4. Численность трудящихся на полное развитие 1470 рабочих мест (с лесозаготовкой, строительством коттеджей, производством мебели);
5. Средняя отпускная цена внутреннего рынка – 22 тыс. руб.\м3;
6. Полная стоимость проекта 3.238 млн.руб.;
7. Полная окупаемость вложений  5 лет 5 месяцев.

Значительный экономический эффект от промышленного применения новой технологии сушки пропитки и нанообработки при производстве КДК и других клеёных изделий достигается в результате:

• снижения на 40–50% удельных затрат энергии на сушку и пропитку древесины;
• снижения на 60–70% удельных затрат энергии на извлечение сырца ДГК;
• снижения себестоимости производства продукции КДК на 15–20%;
• уменьшения эксплуатационных затрат;
• уменьшения капитальных затрат на строительство производства;
• уменьшения производственных площадей, количества единиц сушильного и пропиточного оборудования (совмещение 3-х процессов в одном агрегате);
• уменьшения расхода сырья при  повышении качества пиломатериала путём  снижения остаточных напряжений в сухом пиломатериале и предотвращения трещинообразования и коробления в процессе сушки и пропитки;
• повышения выхода качественной продукции путём  повышения качества производства полуфабриката  и  уменьшения входящих размеров сырого пиломатериала (уменьшение допусков на коробление, трещинообразование при сушке и пропитке);
• повышения стабильности готовой продукции при эксплуатации в условиях высокой влажности агрессивности воздушной среды, воздействия насекомых и микроорганизмов;
• повышения пожарной и экологической безопасности эксплуатации зданий и сооружений за счёт нано обработки клеёных деревянных конструкций в заводских условиях в процессе  производства;
• повышения прочности и улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств;
• увеличения сейсмостойкости КДК за счёт уменьшения склонности к концевому скалыванию вдоль волокон;
• снижения гигроскопичности древесины и изделий из неё.

Следует отметить особое значение использования КДК из нанокомпозита древесины для нужд МЧС. КДК при незначительном весе конструкций являются быстровозводимыми зданиями и сооружениями из комплектов 100% заводской готовности, при этом для монтажа применяются самые простые грузоподъёмные машины и механизмы. Дом, мост через реку, ангар и другие сооружения можно собрать даже вручную, используя  только лебёдки и блоки.

Особое значение КДК из нанокомпозита древесины будут имеют при строительстве различных объектов в сложных климатических условия влажности и сейсмичности.

Потенциально продукция из нанокомпозита древесины к 2030г. должна занять не менее 70% мирового рынка клеёных изделий. 

Экспертная оценка ёмкости рынков клеёной продукции:

1. внутренний рынок России около 1,5 млн. м3 в год;
2. рынок ЕС 5,5 млн. м3/год;
3. рынок Северной Америки (США , Канада) 8,5 млн. м3 в год;
4. рынок Японии 1,5 –2,0 млн. м3 в год.

Первоисточники:

1. ООО «ТермоГазСтрой» рабочий проект – технологическая часть (РП), шифр  2009–01 РП, на 33 стр. (книга 7), проект ID 1031;
2. Администрация Кемеровской области, Межрегиональная Ассоциация «Сибирское Соглашение», Главное управление архитектуры и градостроительства Кемеровской области, Сибирский государственный индустриальный университет, ЗАО «Кузбасская ярмарка» – межрегиональная научно-практическая конференция: «Проектирование, строительство и эксплуатация малоэтажного жилья в Западно-Сибирском регионе», 5–6 августа 2009 года. ПРОГРАММА. http://www.ako.ru/PRESS/Mess/Text/program.doc. Доклад: «Использование нанообработанных КДК в малоэтажном домостроении, докладчик Воронин Б.Ю. – директор ООО «ТермоГазСтрой».
3. Воронин Б.Ю., Голицын В.П. «Использование нанообработанных клеёных деревянных конструкций (КДК) в малоэтажном домостроении», стр. 9–14 в сборнике: УДК 728 (571.1)(06) П 791 Проектирование, строительство и эксплуатация малоэтажного жилья в Западно-Сибирской регионе. Материалы межрегиональной научно-практической конференции. / Редколлегия: И.К. Назаренко (отв.ред.) и др.: ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет». – Новокузнецк, 2009. – 234 с.;
4. НТО «Организация глубокой переработки древесины хвойных пород в высококачественную клеёную продукцию на основе нанотехнологий» – «Organizing of deep impregnation processing of coniferous wood into high quality glue edge and laminated production based on nanotechnology.», Новокузнецк, ООО «ТермоГазСтрой» Шифр: СС – НТО-08\2009, 76 стр., проект ID 1031;
5. Технические характеристики антипирена  «Диафос-Р50». http://www.ecrushim.ru/text/diafos.php;
6. «Комплексный инвестиционный план модернизации моногорода Новокузнецк» паспорт, 2010г. стр. 108–110. http://www.admnkz.ru ; 
7. Денис Иванов статья: «Знай наших – Сибирские учёные сделали открытие мирового уровня!» стр. 44, в газете «Стройка», «Кузбасский региональный выпуск», 15 (250) 2009г. 62 стр.;
8. Серговский П.С. Оборудование гидротермической обработки древесины – М.: Лесная промышленность, 1981. – 304 стр.;
9. Кречетов И.В. Сушка и защита древесины. – М.: Лесная промышленность, 1975. –400 стр.;
10. Чудинов Б.С. Влага в древесине. Изд-во Наука, Сибирское Отделение. Новосибирск, 1984, с. 255.;
11. Ломовский О.И.  статья «Превращения в твёрдой фазе» в журнале «Наука из первых рук» № 6(24) 2008, стр. 30–37. http://www.sciencefirsthand.ru/;
12. Компания производитель дигидрокверцетина – ЗАО «Аметис» – http://www.ametis.ru.

Автор: Воронин Б.Ю.
директор ООО «ТермоГазСтрой», ГИП проекта.