Механохимически модифицированная древесина в строительстве

В связи с начинающимся бумом малоэтажного домостроения идет активный поиск материалов, применение которых дает возможность строить дом дешево и технологично при достижении высоких эксплуатационных свойств. Такой материал существует и уже применяется в строительстве, ему присвоен ГОСТ 24329-80 и называется он механохимически модифицированной древесиной. Это древесина, пропитанная раствором модификатора (преимущественно – карбамид), высушенная под переменным давлением и термообработанная с целью приобретения и закрепления заданных свойств.

Почему древесина? Потому, что в закрытом помещении древесина обновляет до 30% воздуха в сутки, а природные свойства этого материала позволяют в сухую погоду отдавать накопленную влагу, в сырую – впитывать в себя ее излишки. Деревянные дома отличаются особым микроклиматом и высоким уровнем комфортности даже без применения дополнительных средств кондиционирования. Относительно плотности прочностные свойства древесины сравнимы со свойствами металлов, а теплоизоляционные свойства вне конкуренции с другими видами строительных материалов.

Почему карбамид? Раствор карбамида в воде из-за малой величины молекул карбамида способен проникать в полости клеток древесного вещества и пропитывать насквозь древесную заготовку любой толщины. Карбамид под действием температуры и давления вступает в реакцию с такими составляющими древесного вещества как лигнин и гемицеллюлозы и, не нарушая макроструктуры древесины, изменяет химическое строение этих составляющих с образованием веществ, подобных карбамидным смолам, применяемых в производстве современных плитных материалов.

Благодаря этому древесина становится более прочной и твердой, не поддается воздействию микроорганизмов (плесень, грибки) и химических реагентов, а добавки, совместимые с модификатором, могут сделать ее полностью или частично гидрофобной и негорючей. На определенной стадии техпроцесса механохимически модифицированная древесина (МХМД) становится пластичной и способна легко деформироваться под действием температуры и давления. Карбамид экологичен, так как по воздействию на человека и животных – химически нейтрален и даже применяется как кормовая добавка для крупного рогатого скота.

Установка механохимической модификации древесины

Технологический процесс механохимического модифицирования древесины прост: сквозная пропитка заготовки водным раствором модификатора, сушка и термическая обработка. Если необходима повышенная прочность, или твердость механохимически модифицированной древесины (МХМД), или придание изделию заданной формы или профиля, то проводится термопрессование, гнутье или термопрокат высушенной древесины. В результате МХМД задаются нужные для потребителя дизайнерские, прочностные и эксплуатационные свойства, представленные в таблице. Порода исходной древесины незначительно влияет на конечные свойства модифицированной древесины и поэтому экономически выгодно применять для модифицирования дешевую неделовую древесину.

Может быть применено стандартно выпускаемое промышленностью оборудование: обогреваемые ванны или автоклавы для пропитки, конвективные или вакуумные сушильные камеры, камеры термической обработки с температурой до 200°С. Для прессования – это гидравлические пресса с обогреваемыми плитами, гибочное оборудование для гнутья, термопрокатные установки со специально изготовленными профилированными валками. Опробованы, пока в опытно-промышленном масштабе, специальные установки для механохимического модифицирования древесины, которые позволяют проводить все стадии модифицирования без перезагрузки заготовок, уплотнять заготовки во время сушки и даже придавать им заданный профиль на стадии сушки – например паз и шип для строительного бруса. Применение таких установок очень значительно сокращает время модифицирования и расходы на переработку древесины.

Применение изделий из механохимически модифицированной древесины в строительной индустрии может быть настолько разнообразным и почти повсеместным, что затруднительно даже ответить на вопрос: где МХМД применять неэффективно? Однако начнем «танцевать от печки». Сделать МХМД негорючей реально, более того образцы такой древесины есть, а если их уплотнить до 1500–2000 кг/м³, то из таких «деревянных кирпичей» можно сложить печь или камин.

Далее – фундамент. Поскольку МХМД очень прочна, не поддается гниению, воздействию микроорганизмов и химических реагентов, а также не горюча – то изготовление из нее столбчатого или ленточного фундамента напрашивается само собой. В качестве опалубки для заливки фундаментов или стен модифицированная древесина применяется с 80-х годов и даже введена в СНИПы. Благодаря ее прочности, термо- и химической стойкости, ее можно применять как материал форм для изготовления бетона и других строительных смесей.

Оцилиндрованное бревно и брус из МХМД, изготовленные в опытно-промышленном варианте установки модифицирования древесины, отличаются тем, что в них не нужно протачивать чашеобразный продольный профиль на бревне или шип и паз на брусе – это можно выпрессовать в установке в процессе сушки. Так бревно ели диаметром 200 мм, длиной 2,5 м в свежесрубленном состоянии с влажностью 85%, плотностью 450 кг/куб.м., со всеми присущими данной породе недостатками (выпадные сучки, малая био-, огне-, влагостойкость) через 77 часов обработки в установке имело следующие свойства:

• влажность 8%;
• плотность 630 кг/куб.м.;
• огнестойкость повышена на 50%, а при применении специальных добавок к модифицирующему раствору бревно вообще не поддерживает горение;
• влагостойкость повышена на 30% (больше – при применении спецдобавок к модификатору);
• МД воздействию биовредителей (плесень, грибки, жучки и т.д.) не подвержена; выпадные сучки впрессованы и вплавлены;
• на бревне могут быть выпрессованы паз и гребень для сочленения при сборке сруба (опробованы – глубиной 15 мм и шириной до 25 мм);
• текстура древесины ярко выражена, цвет можно изменять от золотистого до темно-коричневого по всей толщине.

Оцилиндрованные бревна из МХМД сосны, березы и ели, далее бревна с отформованным чашеобразным профилем, брус из дуба и бревно с отформованным шипом и пазом

Следует отметить, что дом из такого бревна или бруса выглядит очень красиво, он не нуждается во внешней и внутренней отделке, а так же дополнительных профилактических мероприятиях. Усадки дома после сборки не происходит, поскольку бревно или брус высушены при модификации до 10–12%. Брус и бревно «не ведет», прочность зависит от степени уплотнения древесины, поэтому нет смысла изготавливать из МХМД клееный брус, сократив себестоимость. Из бруса можно изготавливать балки, арки, фермы и т. д., то есть это весьма перспективный материал для каркасного домостроения.

Дверное полотно из МХМД березы

Для каркасного домостроения можно изготавливать также стеновые панели методом термокомпрессионного формования. Для этого из металла, например сталь 3, изготавливается контурная пресс-форма требуемого размера, в которую «в распор» выкладывается пакет специально изготовленных реек из МХМД одинаковой толщины. Специальная подготовка пакета реек заключается в том, что механической обработкой (сверлением и выборкой паза) внутри пакета создается система пустотелых каналов, образующих внутри щита решетку, которая перед прессованием заполняется вспенивающимся составом. Состав представляет собой смесь опилок МХМД и карбамидной смолы с порофором, которая затвердевает при достижении температуры прессования. На пакет заготовок для изготовления щита помещается прокладочный металлический лист или, если требуется получить рельефную поверхность, трафарет. Сверху выкладывается термокомпрессионный вкладыш, состоящий из сегментов специального материала с большим коэффициентом термического расширения. При нагревании вкладыш увеличивается в объеме намного больше, чем металлический ограничивающий контур и тем самым создает необходимое для уплотнения щита из МХМД давление (до 30 МПа). Форма замыкается с натягом пуансоном, в котором, как и в матрице, находятся нагреватели. При нагреве происходит прессование щита и образование внутренней подкрепляющей решетки, которая при эксплуатации стенового щита или панели не допускает коробления и изменения заданных размеров.

Подобным образом можно изготовить паркетные щиты, декоративные панели, дверное полотно любых размеров за один цикл прессования. Паркет, изготовленный из механохимически модифицированной древесины, отличается повышенной твердостью и износостойкостью, стабильностью размеров. На паркетный щит можно нанести плоское декоративное изображение подобное интарсии, и даже изображение с голографическим эффектом. Наносимое на щит изображение и изменение цвета МХМД при прессовании скрадывает несоответствие в текстуре соседних реек при наборе щита.

Из МХМД можно изготавливать дверные и оконные блоки, погонажные изделия, элементы отделочного декора. Так как до термообработки модифицированная древесина хорошо изгибается, гнутьем можно изготавливать арочные элементы окон или дверных проемов, гнутые поручни для лестниц и другие конструктивные и декоративные строительные элементы.

Введением специальных добавок в модификатор можно получить водостойкую МХМД, из которой можно изготавливать садовые беседки и мебель, плитки и доски для садовых дорожек, а прессованием – черепицу для покрытия крыш. Долговечность этих изделий не уступает аналогам из полимерных материалов, а природный дизайн древесины не нуждается в защитных и декоративных покрытиях.

Производство изделий из механохимически модифицированной древесины может быть внедрено на любом деревообрабатывающем предприятии, для этого требуется лишь дооснастить его специальным оборудованием для модифицирования древесины. Базовым типом оборудования является автоклав, перепрофилировав который можно силами вспомогательных служб предприятия изготовить установку для модифицирования. Это новая инновационная технология и оборудование пока серийно не выпускается даже за рубежом. Но, судя по быстрому освоению технологии термодревесины и довольно широкому спектру предлагаемого оборудования, технология МХМД в ближайшие годы займет достойное место в деревообрабатывающей промышленности, а изделия из МХМД – в строительной индустрии.