Продолжаем цикл статей о новом наноматериале – нанокомпозите древесины (нанодревесине), впервые в мире полученном Российским учёным и производственником по разработанной им инновационной технологии.

Новая технология производства нанокомпозита древесины создана на основе фундаментальных законов физики, химии, биологии и частных знаний о процессах сушки и пропитки натуральной древесины, а так же последних исследований в области свойств и поведения водного раствора нано размерных частиц и, или, их композитов во взаимодействии с клетками и молекулами растительного происхождения. Специально проведённые научно-исследовательские (НИР) и опытно-конструкторские работы (ОКР) позволили решить технологическую задачу объединения нескольких самостоятельных (отдельных) производственных операций в один технологический цикл с выполнением их в одном устройстве. В результате этого была создана технология, позволяющая производить нанокомпозит древесины с уникальными свойствами, при значительном снижении себестоимости выполнения сушки и пропитки натуральной древесины за счёт снижения капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат на сушку и пропитку древесины. Новые свойства гидрофобности, грибо- и огнестойкости, а также улучшение физико-механических свойств прочности нанодревесины позволяют увеличить срок службы клеёных изделий из нанокомпозита более чем в 2 раза [1—7].

Предпосылкой к разработке новой технологии послужил, накопленный в процессе деятельности человека, значительный опыт использования лиственницы в качестве строительного материала, подтвердивший уникальность её древесины, имеющей длительный срок эксплуатации в сложных климатических условиях. Например, знаменитые города мира: Венеция уже более 1500 лет, а Санкт–Петербург более 300 лет, стоят на сваях из лиственницы; в Европе и Скандинавии, на русском Севере построены мосты, церкви и полностью деревянные дома из лиственницы, которым гораздо больше 500 лет.

Зафиксированные исторически факты:

При строительстве Венеции около 400 тыс. штук лиственничных свай было забито для укрепления оснований различных сооружений. В 1927 году спустя почти 1400 лет, часть свай была обследована. В заключении об их прочности сказано, что сваи из лиственничного леса, на которых основана подводная часть города как будто окаменели. Дерево сделалось до того твердым, что и топор, и пила едва берет его.

Другой пример – сваи Троянского моста через Дунай простояли 1800 лет.

Эти и другие факты привели многих учёных к изучению уникальных свойств древесины лиственницы [1–15].

Общеизвестно, что вода является основой всего живого и, что питание клеток растений происходит на основе водных растворов различных веществ, которые растения с грунтовой водой получают из земли. Так в древесине питательная жидкость, двигаясь от корневой системы по микро и макро порам, поступает во все клетки тела. Наука и промышленность на данный момент времени накопили достаточно много знаний о древесине и технологиях её сушки и обработки. Также известно, что влага и кислород являются основной причиной разрушения конструкций из натуральной древесины, поскольку способствуют поддержанию процессов гниения и разложения. При возникновении пожаров в деревянных зданиях и сооружениях поступление воздуха к очагу возгорания поддерживает процесс горения, из-за содержания в нём кислорода [8—13].

Носителями нерастворимых компонентов в клетку организма или вещества, как правило, являются полисахариды, способные:

• образовывать комплексные молекулы с нерастворимыми веществами;
• легко проникать сквозь клеточную мембрану растительной или животной отдельной клетки во внутреннее пространство, за счёт малых размеров и высоких показателей текучести.

Природный полисахарид – арабиногалактан используется для производства различных пищевых, лекарственных и косметических препаратов и средств, а так же при проведении различных исследований в химии, биологии и медицине [14, 15]. Арабиногалактан способен создавать сложные комплексные соединения полисахарида с нерастворимыми нано размерными частицами – серебра, золота, других металлов и нерастворимых элементов, при этом такие комплексные соединения становятся легко растворимыми в воде. Вода в свою очередь может свободно проникать в микро и макропоры древесины или другого пористого материала. При проведении исследований процесса проникновения вещества в поры клеток и его воздействия на клеточную структуру, приводящих к изменению свойств, кроме различных полисахаридов так же могут использоваться и другие материалы или нано размерные частицы, способные интенсивно доставлять в клетки нерастворимые компоненты [16, 17].

Задачей специальной обработки древесины является придание новых полезных свойств её клеткам для изменения физико-механических, антипиреновых, антисептических и технологических свойств. Проведённые нами исследования показали, что комплексные водные растворы на основе полисахаридов, например арабиногалактана, способны переносить внутрь пористого тела нерастворимые молекулы и, после соответствующей обработки (закрепления), придавать новые полезные свойства пористому материалу, например – древесине [1—7].

Зависимость свойств древесины от её состава и структуры являются наиважнейшими факторами, влияющими на процессы сушки, пропитки и последующей обработки. Структура древесины в первом приближении представляет собой конструкционное сочетание целлюлозы с лигнином [12, 13]. Древесные целлюлозные волокна имеют спиральную структуру и содержат примерно 65—70% кристаллической и 25—35% аморфной (гемицеллюлозной) части, причём у хвойных пород аморфной части меньше, у лиственных пород больше – 28—35%.

Лигнин – природный полимер, представляет собой высокомолекулярную ароматическую часть, количество которой в древесине хвойных пород до 28–30 %, а в древесине лиственных пород 18—24%. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. Лигнин объединяет их в единое целое с помощью водородных и ван-дер-вальсовых сил связи и когезии, поэтому в совокупности древесина состоит из матричной пространственной сетки лигнина и кристаллического волокнистого наполнителя в виде целлюлозы. Таким образом, древесина является высоко кристаллическим веществом, имеющим форму продольных спиральных волокон, которые в деловой древесине выполняют роль своеобразного «армирующего» компонента.

Исследованиям структуры древесины посвящено много работ, одна из таких работ – исследования микроструктуры древесины американского учёного Э. Келли. В соответствии с этими исследованиями древесина, подобно искусственным конгломератам, содержит капилляры и поры различных размеров. Удельная площадь внутренней поверхности крупных капилляров и пор невелика и составляет, например, у ели и пихты около 0.2 m²/g. Для мельчайших пор она очень большая, например, у той же ели при диаметрах капилляров от 1 до 10 nm (от 10 до 100 А) удельная площадь их поверхности составляет до 300 m²/g. Пористая структура натуральной древесины и обилие капилляров различных размеров отражает характер контакта древесины с водой.

При проведении НИР [1—7] для пропитки низкосортной древесины пихты были применены искусственные и природные материалы пропитки. В качестве искусственного пропиточного материала применялся водный раствор антипирена «Диафос-50», а в качестве натурального водный раствор комплексных молекул арабиногалактана и дигидрокверцетина, которые получали из древесины сибирской лиственницы в процессе вакуумной сушки в виде раствора – «вытяжки». Такая «вытяжка» содержит молекулы дигидрокверцетина, заключенные в оболочку из макромолекулы арабиногалактана и представляет из себя уникальный наноматериал с размерами комплексных частиц от 5 до 20 nm (см. рисунок 1).

На рисунке 1. схематично представлен водный раствор сложных молекул арабиногалактана и дигидрокверцетина различного размера от 5 до 20 nm. Внутри комплексной молекулы арабиногалактана (2 — зелёный цвет) одна или несколько молекул дигидрокверцетина (1 — красный цвет), которые в свою очередь обволакиваются водной «оболочкой» (3 — синий цвет).

Для исследования микро и макропор древесины использовался электронный микроскоп. Качество и глубина проникновения пропиточного вещества по глубине (внутрь от поверхности) пропитки определялись на срезах древесины пихты и сосны (обрезной пиломатериал толщиной до 50 mm радиального и тангенциального распилов). После нанообработки, производился поперечный распил, при этом фиксировалась интенсивность окраса древесины, получаемая в результате пропитки раствором арабиногалактана и дигидрокверцетина, как вдоль, так и поперёк годовых колец в зависимости от параметров обработки (см. рисунок 2 и 3). При выполнении исследований с бесцветными пропиточными веществами, такими как, например «Диафос-50», требовалось применять добавки нано размерного красителя [4].

Исследованиями было определено [4], что равномерная (качественная) пропитка древесины на максимальную глубину (до 20 — max 25 mm) зависит от:

• времени выполнения процесса пропитки;
• состава раствора и типа носителя нерастворимых молекул;
• интенсивности обработки и степени вакуума;
• от типа обрабатываемой древесины;
• толщины пиломатериала и вида распиловки (радиальный или тангенциальный распил);
• температуры гидротермального раствора;
• варьирования параметров сушки, пропитки и нанообработки.

Рисунок 2. Фотография поперечных срезов тангенциального распила древесины соответственно – сосны (вверху), пихты (внизу). Фото до и после нанообработки обработки «вытяжкой» сибирской лиственницы, где нанообработанная древесина значительно темнее по цвету.

Рисунок 3. Фотография продольных срезов тангенциального распила древесины соответственно – сосны (вверху), пихты (внизу). Фото до и после нанообработки обработки «вытяжкой» сибирской лиственницы, нанообработанная древесина значительно темнее по цвету.

Особо следует отметить ценность получаемого в процессе сушки сибирской лиственницы полуфабрикатного сырья – водного раствора арабиногалактана, дигидрокверцетина и смолы лиственницы, поскольку такой раствор является незаменимым сырьем натурального происхождения для производства медицинских препаратов, косметических средств и лечебного питания из натуральных природных продуктов. (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Фотография «вытяжки» сибирской лиственницы в сухом порошке, где: светлый порошок более чистый с высоким содержанием дигидрокверцетина – получен методом «паровой бани»; тёмный кристаллический порошок получен в вакууме. Состав образцов «вытяжки»: арабиногалактан, дигидроквецетин, смола сибирской лиственницы.

Самым ценным компонентом является  – Дигидрокверцетин (Dihydroquercetin – Taxifolin), который применяется в фармацевтической промышленности для производства лекарственных средств. После выделения и очистки (разделения с другими компонентами) он применяется для производства лекарств:

• для укрепления и лечения кровеносной и лимфатической систем человека;
• лечения и профилактики раковых опухолей;
• средств снятия наркотической зависимости;
• средств лечения последствий при радиоактивном облучении и вывода радионуклидов;
• средств замедления процессов при старении живых организмов.

Древесина лиственницы выделяет (источает) биофлавоноиды, которые противодействуют различным лёгочным заболеваниям [14,15]. Извлечение (выделение) из концентрата «вытяжки» чистого, с высоким % содержанием, арабиногалактана и дигидрокверцетина не составляет особой сложности, поскольку существует несколько хорошо известных и практичных технологических приёмов [15].

Науке хорошо известно, что в древесине содержится влага трёх типов [8 – 13]:

• связанная или гигроскопическая (в оболочках клеток);
• свободная или капиллярная (в полостях клеток);
• химически связанная.

Пучки молекул в элементарной фибрилле образуют упорядоченные структуры – мицеллы, строение которых считают кристаллическим. Макрофибриллы, состоящие из 2000 молекул целлюлозы имеют в поперечнике размер около 25 nm. [18, 19]. Трахеиды сообщаются между собой при помощи окаймленных пор, в мембранах которых имеются субмикроскопические поры размером 50 nm, через которые двигается влага в древесине. Сосуды и капилляры, а так же клетки древесины заполнены влагой. Свободная влага (капиллярная) содержится в капиллярах и легко испаряется в начальной стадии сушки древесины, связанная влага (гигроскопическая) влага содержится внутри стенок клеток древесины и может быть извлечена в процессе сушки во вторую очередь (см. рисунок 5.). Высокая пористость древесины, около 60% обеспечивает ей в сухом виде очень низкую теплопроводность, высокие теплоизоляционные свойства.

Рисунок 5. Схема строения сосудов и капилляров древесины.

Где:
1 – свободная (капиллярная) влага;
2 – связанная (гигроскопическая) влага.

При изучении процессов сушки и пропитки наибольшее значение имеют свободная и связанная влага. Влажность (W), соответствующая предельному содержанию связанной влаги при полном отсутствии свободной влаги, называется пределом гигроскопичности древесины или точкой насыщения волокон. Колебания значений предела гигроскопичности небольшие и в среднем данное значение принимается равным 30 % при температуре окружающей среды t 20°С и давлении 760 mm ртутного столба.

При достаточно длительной выдержке в замкнутом объёме при определённой температуре и влажности, древесина приобретает равновесную влажность Wp, которая зависит от влажности j и температуры t окружающего воздуха. На рисунке 6. представлен график зависимости равновесной влажности древесины от температуры и влажности воздуха.

Рисунок 6. График зависимости равновесной влажности древесины от температуры и влажности воздуха.

По степени влажности древесину разделяют на мокрую, при W = 100%, свежее срубленную, при W = 35—100%, воздушно сухую, при W = 15—20%, комнатно сухую, при W = 8—13% и абсолютно сухую, когда W —0%. На большинство физико-механических и эксплуатационных свойств древесины оказывает влияние изменение содержания связанной влаги [8—13].

Процесс вакуумной сушки древесины состоит из трех последовательных операций и их цикличных повторений с целью интенсификации процесса [10, 11]:

1. Предварительный нагрев древесины при нормальном атмосферном давлении;
2. Собственно сушка;
3. Кондиционирование;
4. Интенсификация процесса сушки путём цикличного повторения операций по п.п. 1—3 [11].

Исследованиями в области сушки древесины было доказано, что процесс движения воды в древесине регулируют следующие фундаментальные законы [8—12]:

Закон 1:
Скорость циркуляции воды зависит в большей степени от температуры сушки согласно экспоненциальной зависимости (см. Таблицу 1) Использование этого закона позволяет выбрать наиболее подходящую температуру сушки для каждого типа древесины.

Закон 2:
Скорость циркуляции воды зависит от степени вакуума в сушильной камере (см. Таблицу 2). Этот закон позволяет производить сушку древесины в вакууме, при циркуляции перегретого пара сквозь штабель (пакет) древесины при более низкой температуре.

Закон 3:
Вода движется из мест, имеющих высокую температуру, к местам с низкой температурой. Таким образом, облегчается движение воды из средней внутренней части тела древесины к ее поверхности, для чего температура в середине тела должна быть выше, чем температура поверхности. Данный закон используется, поскольку сначала на всю глубину тело древесины нагревается до заданной температуры благодаря операции предварительного нагрева, при этом заданная температура устанавливается выше, чем температура кипения в вакууме, а задаваемая величина вакуума определяется по температуре предварительного нагрева древесины, затем эта величина вакуума создаётся внутри камеры. Во время операции сушки, когда внутри камеры создается вакуум и начинается процесс сушки, вода с поверхности древесины начинает испаряться, тем самым, охлаждая поверхность древесины, это создаёт разницу температур между внутренней частью тела древесины и поверхностью, поскольку температура поверхности древесины стремится к значению температуры кипения воды в вакууме. Таким образом, температура внутри тела древесины получается выше, чем температура её поверхности. Этот факт используется для удаления воды из середины древесины (которая имеет высокую температуру) по направлению к поверхности (которая приобретает при испарении более низкую температуру).

Закон 4:
В связи с капиллярным строением тела древесины (микро и макропоры) влага в ней движется от мест более насыщенных влагой по направлению к более обезвоженным участкам, по аналогии с процессом питания дерева.

Закон 5:
Температура испарения (кипения) воды зависит от давления, соответствующая зависимость показана в Таблице 3. Правильное применение закона позволяет в значительной степени экономить энергию, тратящуюся на процесс испарения влаги с поверхности древесины.

Закон 6: Закон сохранения энергии. При испарении жидкости с поверхности любых тел происходит расход энергии и передача части тепловой энергии тела к испаряемой жидкости – при этом тело остывает, и, наоборот, при превращении пара в жидкость и выпадении (осаждении пара) из воздуха на поверхность любого тела происходит отдача тепловой энергии от пара к телу – тело нагревается.

Поскольку вакуумная сушильная камера на перегретом пару использует все шесть вышеприведённых законов физики для оптимизации циркуляции воды в древесине, очевидно, что это наиболее современный и экономически целесообразный метод сушки.

В дополнение к вышесказанному проведённые нами исследования кроме подтверждения влияния данных законов доказывают, что процесс пропитки подчиняется абсолютно тем же законам что процесс сушки и, что сушка и пропитка являются антиподными процессами. Соответственно изменение параметров температуры, давления, насыщенности объёма камеры парами влаги приводят либо к сушке, либо к пропитке тела древесины, находящейся в вакуумной камере [1—7].

Знание физических законов правильное их использование в технологии сушки и пропитки натуральной древесины позволяют оптимизировать энергетические затраты и регулировать процессы во времени путём варьирования параметров давления, температуры и влажности древесины.

Известно, что чистая вода (дистиллированная), при отсутствии в её составе примесей солей, кипит при температуре 100^оС при атмосферном давлении – идеальные условия. Наличие примесей влияет на температуру кипения в значительно меньшей степени, чем изменение давления. Температура кипения может быть понижена путем уменьшения давления (т.е. путем создания вакуума), соответственно повышение давления (уменьшение степени вакуума) температура кипения воды (жидкости пропиточного раствора) увеличивается.

Таблица 1 Воздействие температуры на интенсивность циркуляции влаги в теле древесины.

Таблица 2 Влияние давления воздуха на интенсивность циркуляции влаги в теле древесины.

Таблица 3 Зависимость температуры кипения воды от давления.

Сушка, пропитка и нанообработка:

При нанообработке древесины выполняются три основных технологические операции [1 – 7]:

1. сушка;
2. пропитка;
3. нанообработка.

На рисунке 7. представлена принципиальная схема устройства для вакуумной сушки пропитки и нанообработки

Где:

1. вакуумная сушильная камера;
2. загрузочная изолирующая дверь;
3. теплообменный блок;
4. транспортная тележка для пиломатериала;
5. штабель из пиломатериала;
6. водо-воздушный или паро-воздушный теплообменник;
7. вентилятор;
8. водонагреватель или паровой котел;
9. циркуляционный насос для горячей воды;
10. вакуумный насос;
11. быстродействующий клапан связи с атмосферой;
12. трубопровод подачи пропиточного раствора;
13. термоизолированная ёмкость с подогревом для хранения пропиточного раствора;
14. насос для подачи пропиточного раствора;
15. трубопроводная система сбора жидкости – «вытяжки».

1. Сушка [10]

Пиломатериал помещают в сушильную камеру, а затем нагревают. Во время предварительного нагрева вентиляторы прогоняют через теплообменники воздух, происходит передача тепла от теплообменника к потоку воздуха, который далее прокачивается сквозь пакеты древесины до тех пор, пока тело древесины не нагреется до заданной температуры, и условия равномерности распределения температуры внутри тела. После этого этапа начинается процесс сушки – активируется система вакуумных насосов, и в камере создается вакуум. В соответствии с физическими законами взаимосвязи между влажностью древесины и двумя параметрами сушки, температурой парообразования и давлением для выполнения процессов сушки или пропитки осуществляется контроль температуры нагрева древесины и регулирование двух параметров:

• температура паро-воздушной массы внутри сушильной камеры;
• значение вакуума внутри камеры.

Соответственно автоматизация технологических операций сушки и (или) пропитки заключается в контроле двух обозначенных выше параметров в соответствие с таблицами, контроль самого процесса сушки или пропитки осуществляется путём замеров температуры и влажности тела древесины. При этом учитываются тип древесины, ее толщина и влажность, измеренная в определённый момент времени и на определённой глубине тела древесины, изменение параметров сушки или пропитки производится на основании показаний таких замеров.

Когда влажность древесины достигает необходимой отметки, автоматика переводит сушильную камеру в следующую операцию – кондиционирование. Во время этой операции восстанавливается нормальное атмосферное давление, нагрев прекращается, и работают только вентиляторы. Они прогоняют воздух сквозь пакеты, чтобы выровнять влажность между разными досками при общем охлаждении всей древесины. После повторения циклов, по достижении древесиной требуемой влажности пульт управления полностью отключает все функции. Процесс сушки без пропитки закончен.

Для интенсификации процесса сушки древесины, особенно в стадии удаления связанной влаги до 6—8%, производится цикличное повторение процессов сушки и кондиционирования при поддержке заданной температуры древесины [11].

2. Пропитка (диффузия гидротермальных растворов) [1—7]:

Для осуществления последующей пропитки влажность доводится до определённого параметра в зависимости от породы (типа) древесины и заданных параметров степени пропитки (порядок 6—18%). Процесс сушки заканчивается и далее производится процесс вакуумной гидротермальной пропитки древесины композитными водными растворами. Гидротермальный раствор заливают в специальную термоизолированную ёмкость, где раствор поддерживают при определённой температуре. В требуемый (определённый) момент горячий раствор с помощью насоса впрыскивается внутрь камеры, при этом вакуум интенсифицирует диффузию гидротермальных растворов внутрь тела натуральной древесины благодаря микропористой структуре. Для выполнения качественной вакуумной пропитки древесины водным раствором используются те же законы, что и при вакуумной сушке, однако задаются противоположные сушке параметры, позволяющие интенсивно продвигать раствор к центру пропитываемого тела. При этом так же контролируют и варьируют (изменяют) параметры температуры и давления в вакуумной камере в зависимости от значений контролируемых параметров температуры и влажности тела древесины.

Для выполнения качественной пропитки древесины выполняют следующие условия:

• производится насыщение объёма сушильно-пропиточной камеры паром, который образуется за счёт низкого давления внутри полости камеры при впрыскивании перегретой жидкости пропиточного раствора в камеру, в которой предварительно создан вакуум;
• температура насыщенного пара и пропиточного раствора устанавливается значительно выше температуры внутри тела древесины;
• производят плавное уменьшение вакуума, что приводит к конденсации пара и осаждению раствора на внешних поверхностях тела древесины и создаёт разницу температуры между телом древесины и конденсатом пропитывающего вещества (t °С внутри тела древесины < t °С осаждённого пара);
• производят плавное повышение давления внутри камеры (снижение вакуума), что заставляет раствор с поверхности древесины постепенно двигаться внутрь тела в зоны пониженного давления и температуры.

Интенсификация процесса пропитки древесины продолжается до момента достижения стадии насыщения древесины влагой, влажности в 20—30% , параметр рассчитывается и задаётся в зависимости от глубины и степени пропитки и с учётом породы древесины.

Для усиления скорости диффузии жидкости внутрь тела древесины производится цикличное повторение процессов подачи насыщенного горячего раствора, парообразования и осаждения капель (процесс поверхностного смачивания наружных поверхностей тела) и изменение давления. При этом в камере поддерживаются оптимальные (заданные программой) параметры температуры древесины и пропитывающего раствора при определённом давлении.

В процессе пропитки насыщенным раствором за счёт колебания давления происходит адсорбция нано размерных комплексных частиц полисахарида и нерастворимого компонента, входящих в состав пропитывающей жидкости внутри тела древесины на поверхностях стенок микро и макро пор.

3. Нанообработка древесины (закрепление нано частиц с образованием плёнки) [1—7]:

В начале процесса производится удаление лишней влаги пропитывающей жидкости, для этого повторяется процедура сушки, состоящая из трех последовательных операций:

• предварительного нагрева древесины при нормальном атмосферном давлении;
• собственно сушки;
• кондиционирования.

При этом влага из древесины удаляется до достижения показателя 6—14%, в зависимости от заданных параметров последующей обработки.

Завершающая стадия обработки древесины – кристаллизация.

После вакуумной интенсификация диффузии гидротермального раствора в макро и микропоры древесины происходит структурирование моно и поли молекулярного адсорбционного слоя из нано частиц пропиточного раствора, при этом кислород вызывает реакцию сополимеризации на границе раздела жидкой и твёрдой фаз. Интенсификация сополимеризации происходит в результате резкого перехода от воздействия глубокого вакуума к резкому выравниванию давления внутри микро и макро пор древесины до атмосферного при подаче воздуха насыщенного кислородом, в процессе сополимеризации одновременно так же происходит затвердевание лигнина древесины (аналогично процессу окаменения древесины лиственницы при длительном нахождении в воде). Ударное воздействие мгновенного проникновения молекул кислорода внутрь системы пор тела древесины завершает все технологические операции обработки, это приводит к кристаллизации адсорбционного слоя нано частиц и образованию пористого нанокомпозита – нанодревесины.

Таким образом, при производстве нанокомпозита древесины помимо вакуумной сушки дополнительно происходят три основных, контролируемых путём задания определённых параметров, процесса:

• гидротермальная пропитка, которая выполняет функцию равномерного распределения раствора в объеме древесины;
• адсорбция нано вещества на поверхностях микро и макро пор древесины, в этот момент плавно начинается реакция сополимеризации компонентов входящих в состав пропиточного раствора на стенках пор древесины от взаимодействия с остатками кислорода в пропиточной жидкости (воде) и клетках древесины;
• собственно сушка – удаление излишней влаги пропиточного раствора из тела клеток древесины;
• интенсивная сополимеризация клеток древесины и компонентов пропитки с образованием новой твердой фазы нанокристаллов нерастворимых веществ, входящих в состав композитной пропитки. Сополимеризация происходит при взаимодействии с кислородом.

Следует отметить ещё два весьма важных физических фактора, влияющих на процессы сушки, пропитки и нанообработки натуральной древесины – это свойства пластичности древесины и подверженность усушке и деформации [8—10, 12, 13, 18, 19].

1. Пластичность – свойство древесины приобретать заданную форму при разогреве влажного тела и принудительного (путём нагрузки) придания формы на определённом шаблоне путём сушки до влажности 8—10%. Для приведения в состояние пластичности древесину разогревают до T= 80 °С, при нормальном атмосферном давлении. Эта технология применяется при производстве спинок стульев, кресел, клюшек и т.д. В силу того, что натуральная древесина в природе в процессе роста подвергается ветровым и снеговым нагрузкам, а её неоднородное тело имеет спиральную волокнистую структуру с включением большого количества сучков и различных пороков, то внутри возникают значительные напряжения. В процессе сушки, практически любым известным способом, древесина из-за остаточных внутренних напряжений искривляется, коробится и загибается. Для уменьшения воздействия внутренних напряжений применяются мягкие режимы сушки с промежуточным увлажнением, а так же нагрузка «гнётом» – прессом штабеля пиломатериалов, который не позволяет отдельным доскам древесины в штабеле изгибаться и искривляться. Усилия пресса при сушке зависят от толщины и породы древесины пиломатериала, задаваемая нагрузка «гнёта» (пресса) колеблется от 500 до 1500 kg/m² [10].
2. Уменьшение содержания связанной влаги вызывает сокращение линейных размеров и объёма древесины — усушку. Усушка измеряется в % отношении размера объёма тела образца при пределе гигроскопичности, к размеру (объёму) образца при данной влажности W в диапазоне от 0 до предела гигроскопичности. Полная (при удалении всей связанной влаги) усушка в тангенциальном направлении для всех пород древесины находится в пределах 6—10%, в радиальном направлении 3—5%, вдоль волокон 0,1—0,3%; полная объёмная усушка составляет 12—15%.

При увеличении содержания связанной влаги, а также поглощении древесиной жидкостей происходит разбухание — явление, обратное усушке [8–13, 18,19]. Вследствие разницы значений радиальной и тангенциальной усушки при высыхании (или увлажнении) наблюдается поперечное коробление и растрескивание пиломатериалов и заготовок. Продольное коробление наиболее заметно у пиломатериалов с пороками строения. В процессе сушки любой породы натуральной древесины из-за неравномерного удаления влаги и анизотропии усушки возникают внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию пиломатериалов и, или, круглых лесоматериалов. Как было сказано выше, для уменьшения воздействия внутренних напряжений применяются мягкие режимы сушки с промежуточным увлажнением. После камерной сушки из-за остаточных напряжений в древесине при механической обработке происходит изменение заданных размеров и формы деталей. Древесина проницаема для жидкостей и газов, особенно лиственной породы по заболони и вдоль волокон.

Новая технология и качество конечной продукции из древесины.

1. Качество

Применение новой технологии позволяет использовать ещё один основополагающий закон физики, целенаправленно изменяя параметры обработки сохранить целостность структуры тела при изменении состояния и формы (размеров), а также уменьшить степень усыхания древесины.

Закон 7:
Закон равновесия сил. Из закона следует, что силы, действующие на тело, так и внутри тела, равны силам противодействия, то есть равновесное состояние тела соблюдается при условии равенства сил воздействия и противодействия. При превышении значения одной из сил тело либо перемещается в пространстве, или внутренние связи тела материала нарушаются, что и приводит к его частичному или полному разрушению или изменению формы для пластических материалов.

Из рассмотрения этого закона совместно со свойством пластичности на уровне клеток следует, что для предотвращения растрескивания при усушке необходимо после удаления из тела древесины несвязанной влаги сначала перевести тело в пластичное состояние, далее в пластичном состоянии произвести полное удаление влаги (сушку), а затем после уменьшения размеров (усушки), перевести состояние тела в твёрдое кристаллическое при соблюдении закона равновесия сил. При этом, учитывая, что тело уменьшается в геометрических размерах неравномерно (в трёх измерениях – вдоль волокон, поперёк волокон радиально и тангенциально), необходимо создать дополнительные силы связи внутри клеток микро и макропор, которые будут противодействовать растрескиванию и усушке тела древесины.

Новая технология [1—7] позволяет использовать все семь вышеперечисленных законов для выполнения мягких режимов сушки и пропитки при плавности создания вакуума, позволяющее контролировать равномерность удаления (пропитки) влаги из тела древесины по всему объёму. Технология позволяет укреплять стенки сосудов древесины силами поверхностного напряжения при кристаллизации нано плёнки на их поверхностях, что предотвращает процесс растрескивания объёма тела древесины, а так же значительно уменьшает степень усыхания древесины при удалении остаточной связанной влаги.

Такой эффект достигается за счёт:

• перевода тела древесины в зону пластического состояния при удалении связанной влаги, или пропитке;
• уменьшения воздействия сил внутреннего напряжения в период удаления связанной влаги за счёт поддержки требуемых параметров температуры и давления в камере при определённой остаточной влажности древесины;
• выполнения обязательного условия плавного (без больших скачков давления) удаление влаги из объёма сушильной камеры. При этом удаление влаги производят за короткий промежуток времени и при выдержке параметров температуры тела древесины и давления внутри сушильной камеры в диапазоне заданной зоны значений, когда древесина находится в пластическом состоянии.

Проиллюстрируем процессы, происходящие при нанообработке древесины сосны. На рисунке 8. представлены участки срезов (разрезы) древесины сосны, позволяющие понять структуру её пористого клеточного строения [8].

Рисунок 8.

Где:
Участки срезов древесины сосны: 1 — поперечного; 2 — радиального; 3 — тангенциального; а — граница годичного кольца; б — поздняя древесина; в — ранняя древесина: г — новый ряд вклинивающихся трахеид; д — гетерогенный сердцевинный луч, состоящий из лучевых трахеид (е) с мелкими окаймленными порами и паренхимных клеток с большими окновидными порами (ж); з — смоляной ход (хорошо видны выстилающие его эпителиальные клетки); и — клетки паренхимы, окружающие смоляной ход; к — окаймленные поры; л — сердцевинный луч с горизонтальным смоляным ходом.

На рисунке 9. представлена схема разрезов трахеид (поры древесины), заполненные в процессе стадии пропитки пропиточным гидротермальным раствором.

Где:
1 — сине-красно-зелёной штриховкой показан гидротермальный пропиточный раствор; 2 — синими точками микропоры размером 1—5 nm, заполненные остаточной связанной влагой, которая осталась в теле древесины после выполнения процесса вакуумной сушки; г — трахеиды; д — лучевая трахеида; к — окаймлённые поры.

На рисунке 10. представлена схема разрезов трахеид (пор древесины) с адсорбированными (закреплёнными) на стенках пор кристаллами в виде нано размерной пленки. Плёнка образовывается из водо нерастворимых компонентов пропиточного состава в результате применения технологии сушки, пропитки и нанообработки натуральной древесины.

Где:
1 — красным цветом показана кристаллическая нано плёнка на поверхностях пор древесины; 2 — синими точками микропоры размером 1–5 nm, заполненные остаточной связанной влагой, которая осталась в теле древесины после выполнения предыдущих процессов вакуумной сушки, включая удаление излишней влаги ( сушку) после пропитки; г — трахеиды; д — лучевая трахеида; к — окаймлённые поры.

2. Физико-механические и эксплуатационные свойства

После обработки за счёт образования внутри тела новой равномерно распределённой нано размерной структуры в виде покрывающих стенки микро и макро пор кристаллической плёнки, сополимеризованной (эффект сращивания) с поверхностями клеток, нанодревесина приобретает характерные изменения свойств, которые не присущи натуральной древесине*:

• увеличение плотности от 10 до 35% за счёт внесённой в микро и макро поры дополнительной массы (нерастворимая часть) пропиточного раствора;
• увеличение прочности от 5 до 15%, за счёт усиления стенок микро и макро пор;
• приобретает свойство стабильности состояния (изменение линейных размеров) т.е. отсутствие усыхания или разбухания тела от воздействия влаги или влажной среды, при уменьшении коэффициентов усыхания при удалении связанной влаги в конечной стадии пропитки нанообработки;
• приобретает вместо свойства гидрофильности (впитывание влаги) новое свойство – гидрофобность, за счёт значительного уменьшения (практически до 0-го значения) водо- и газопроницаемости и водопоглощения на уровне микро и макро пор;
• приобретает свойства огнестойкости и грибостойкости, за счёт предотвращения свободного поступления кислорода к поверхностям и в клеточную структуру древесины. Высшая категория огнестойкости и максимальная грибостойкость достигаются при максимальной степени обработки антипиренами.

Примечание: *Значения показателей изменения свойств зависят от глубины пропитки и характеристик (состава) пропиточного раствора. Следует отметить, что максимальная степень обработки изменяет (незначительно уменьшает) свойства теплопроводности древесины и (немного увеличивает) электропроводность. Изменение электропроводности происходит при использовании в пропиточном растворе нано размерных частиц некоторых металлов.

На основании вышеизложенных материалов исследований, следует ввести новое понятие – нанотехнология обработки древесины.

Нанотехнология обработки древесины (НОД) – это глубокая вакуумная сушка и пропитка древесины водным раствором нано размерных веществ с последующей их мономолекулярной и полимолекулярной адсорбцией на поверхностях микро и макропор древесины путём физико-химического структурирования нано плёнки нерастворимых кристаллов, компонентно входящих в состав пропиточного раствора.

Процесс адсорбции происходит в последней стадии вакуумной обработки после сушки и пропитки, при удалении лишней влаги пропиточного раствора из пор древесины, а кристаллизация пропиточного вещества в виде нано плёнки на поверхностях пор древесины от воздействия кислорода заканчивает процесс нанообработки. При нанообработке внутри тела древесины на всех внутренних и, или, внешних поверхностях макрокапилляров (радиусом 50–100 nm) и микрокапилляров (радиусом от 3–5 nm) при взаимодействии с кислородом происходит реакция сополимеризации и образование кристаллов в виде нано размерной нерастворимой в воде плёнки [1—7].

Разработанная и исследованная автором новая технология, состоящая из совокупности контролируемых методов и приемов, применяемых при обработке древесины путём пропитки в глубоком вакууме водными растворами нано размерных веществ с антипиреновыми, антисептическими, антиоксидантными свойствами, позволяет получать внутри древесины новые структуры в виде покрывающих стенки микро и макро пор нано плёнок. При этом целенаправленный контроль над процессом модификации веществ, изменением форм и размеров, глубины интеграции и скорости взаимодействия, составляющих раствор нано масштабных элементов с размерами до 100 nm обеспечивают получение пористого нанокомпозита древесины с новыми химическими, физическими, биологическими, не присущими натуральной древесине, свойствами [1—7]. Что полностью соответствует определению нанотехнологии ОАО «Роснано» [20].

Равномерное распределение нано размерной твёрдой фазы по поверхностям микро и макро пор внутри тела древесины, которые придают ей новые свойства, позволяет отнести технологию и новый материал к искусственно полученному нано материалу – продукту нанотехнологий. Утверждение справедливо, поскольку важнейшие новые не присущие натуральной не обработанной древесине функциональные свойства такие как: огнестойкость, грибостойкость, гидрофобность, улучшение физико-механических свойств определяются нано уровнем структуры получаемого нового строительного материала – нанокомпозита древесины (нанодревесины) [1—7].

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

Библиография

1. Автор: Воронин Б.Ю. директор ООО «ТермоГазСтрой», ГИП проекта. Статья «Производство клеёных деревянных конструкций из нанокомпозита древесины» публикация в электронном журнале «NanoNewsNet.ru, NanoMarket.ru». 2011г. http://www.nanonewsnet.ru/…a-drevesiny/;
2. ООО «ТермоГазСтрой» рабочий проект – технологическая часть (РП), шифр 2009–01 РП, на 33 стр. (книга 7), проект ID 1031; Загрузить 466 КБ. ID 57 – «Глубокая переработка древесины хвойных пород в высококачественную клеёную продукцию на основе нанотехнологий.», Воронин Б.Ю.
   ООО «ТермоГазСтрой», www.kemobl.ru/…ateg/08.xls/
3. Воронин Б.Ю. «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. –234с. http://library.sibsiu.ru/…ja_2009.pdf/
4. Научно-техническое обоснование рабочего проекта: «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: РП\СС – НТО-08\книга-2\2011, 72 стр.;
5. «Комплексный инвестиционный план модернизации моногорода Новокузнецк» паспорт, 2010г. стр. 108–110. http://www.admnkz.ru./;
6. Администрация Кемеровской области
   Загрузить 5,2 МБ.
   При нанообработке древесины пихты физикомеханические свойства по прочности её нанокомпозита превосходят природные свойства сосны. Функционально важные свойства нового материала http://library.sibsiu.ru › http://library.sibsiu.ru/…lja_2009.pdf
7. Комплексная программа социально-экономического развития города Новокузнецка…
   " Загрузить":http://www.новокузнецк.рф/…entBinary.do?… 5,4 МБ.
   Руководитель проекта – Воронин Б.Ю. Строительство внешних сетей и коммуникаций инвестиционной площадки инвестиционного проекта ООО «ТермоГазСтрой», стр. 238–241. http://www.новокузнецк.рф/…entBinary.do?…
8. Древесина — БСЭ — Яндекс. Словари
   Древесина, ксилема (от греч. xýlon — дерево), сложная ткань древесных и травянистых растений, проводящая воду и растворённые в ней минеральные соли; часть проводящего пучка, образующаяся…
   slovari.yandex.ru›БСЭ›Древесина копия ещё
9. Древесина, сушка древесины. http://ru.wikipedia.org/
10. Эрнесто Паньоццы. «Технология вакуумной сушки – современные состояние и новые тенденции развития». http://www.woodkiln.com/
11. Установка вакуумной сушки ВС- 1м. http://www.esp.ru/
12. Максимов С.В., Комохов П.Г «Справочник по строительству», раздел древесина. INFOSTROY.INFO ©, http://www.infostroy.info.ru/
13. С.В.Максимов, П.Г.Комохов, В.Б.Зверев
    Загрузить 2,7 МБ Структура древесины хорошо видна на микроснимке, полученном американским учёным Э. Келли (рис. 3.3). Тёмная полоса – лигнин, менее тёмная – стенка целлюлозной клетки и светлая область – полость клетки.
14. Биологически активные нанокомпозиты : Инновационный проект.
    Второй компонент нанокомпозитов арабиногалактан является составной частью древесины лиственницы и может быть очень легко из нее выделен.
15. Компания производитель арабиногалактана и дигидрокверцетина –ЗАО «Аметис» – http://www.ametis.ru./
16. Клеточная стенка – не преграда для нанотрубок. http://www.nanometr.ru/;
17. «Умные» и стабильные наночастицы золота. http://www.nanometr.ru/ ; http://www.nanonewsnet.ru/
18. Чудинов Б.С. Влага в древесине. Изд-во Наука, Сибирское Отделение. Новосибирск, 1984, с. 255.
19. Харук Е.В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. Изд-во Наука, Сибирское Отделение. Новосибирск, 1976, с. 191.
20. Определение понятия нанотехнология. Официальный сайт ГК РОСНАНО. http://www.rusnano.com/