В основе подхода лежит использование оборудования проходного типа, позволяющего эффективно повысить плотность и твердость поверхности древесины, обеспечивая стабильность свойств поверхности материала на протяжении длительного времени.
Древесина широко применяется в строительстве и отделке интерьеров благодаря своей экологичности, возобновляемости и отличным теплоизоляционным свойствам. Кроме того, она востребована в мебельном производстве, упаковке, целлюлозно-бумажной промышленности и все чаще становится основой инновационных материалов, таких как инженерные композиты и модифицированная древесина с уникальными характеристиками. Однако древесина имеет и свои минусы, такие как низкая биостойкость, недостаточные механические свойства, поглощение влаги из воздуха, а также горючесть, что может быть улучшено посредством модификации.
Сегодня существует множество технологий модификации древесины, классифицируемых по ГОСТ (термомеханическая, термохимическая, химико-механическая), однако их общий принцип един. Древесина – природный полимер, состоящий из целлюлозного каркаса, связанного лигнином. Прямое сжатие без подготовки разрушает эту структуру и снижает влагостойкость материала и прочность. Поэтому ключевая задача любой модификации – предварительно размягчить лигнин, чтобы уплотнить древесину без повреждения целлюлозной матрицы.
Одним из эффективных и безопасных для структуры древесины методов повышения плотности может являться ультразвуковое воздействие в сочетании с механическим давлением: мощное акустическое поле размягчает лигнин, позволяя безопасно сжать и зафиксировать структуру. Подтвержденное сохранение целостности внутренней структуры материала в течение 5 лет после обработки подтверждает высокую эффективность ультразвуковой пластификации.
«В ходе многолетней работы мы исследовали стабильность свойств поверхности осины после ультразвуковой модификации: образцы, обработанные на разработанном нами станке проходного типа и хранившиеся в течение пяти лет, были повторно изучены. Измерения твердости и анализ структуры методом сканирующей электронной микроскопии показали отсутствие значимых релаксационных изменений – внутренняя структура древесины сохранилась в том же виде, что и непосредственно после обработки. Твердость анализировалась нашей группой, а исследование микроструктуры проведено совместно с СПбГЛТУ, была подтверждена долговременная стабильность результатов ультразвуковой модификации», – рассказала доцент кафедры электроакустики и ультразвуковой техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алена Александровна Вьюгинова.
Выбор осины для исследования обусловлен ее низкой плотностью и высокой однородностью структуры, что обеспечивает эффективное и равномерное ультразвуковое уплотнение с высокой скоростью – в отличие от более плотных пород (например, дуба), требующих больших энергозатрат. Кроме того, осина доступна и недорога, часто является побочным продуктом заготовки хвойных пород, что соответствует цели технологии: получить из дешевого сырья материал с повышенной твердостью и износостойкостью поверхностного слоя.
Обработка древесины ультразвуком осуществляется на оборудовании проходного типа непрерывного действия, функционирующим по принципу ультразвуковой фильеры: заготовка подается с одной стороны установки, пропускается между двумя ультразвуковыми волноводами (расположенными с зазором, меньшим исходной толщины древесины), проходит через зону интенсивного акустического воздействия и выходит с противоположной стороны в модифицированном состоянии.
Технология реализуется в сухом режиме, без химических пропиток, предварительного замачивания или длительной выдержки. Это обеспечивает высокую скорость процесса модификации поверхности: производительность установки составляет от 1 до 5 м/мин в зависимости от породы (для твердых пород – не менее 1 м/мин, для мягких, включая осину, – до 4-5 м/мин).
Высокоинтенсивное акустическое поле обеспечивает пластификацию лигнина в поверхностном слое заготовки, позволяя безопасно спрессовать материал без разрушения целлюлозного каркаса: толщина заготовки уменьшается на 2-3 мм, плотность поверхностного слоя возрастает, а глубина модифицированной зоны составляет 1-2,5 мм в зависимости от интенсивности воздействия и породы древесины.
Контроль качества после длительного хранения включал измерение твердости по всей длине заготовок с шагом 100 мм (с трехкратным повторением на каждом шаге для статистической обработки) и анализ внутренней структуры на центральных поперечных срезах методами электронной микроскопии.
«Данный метод реализует вариант непрерывного высокоскоростного технологического процесса, что принципиально отличает его от длительных технологий глубокой термической или химической модификации и способен обеспечивать оперативное повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя в условиях производства. Кроме того, подход позволяет интегрировать процесс модификации в поточные линии деревообрабатывающих производств без существенного снижения общей производительности и без существенного повышения стоимости конечного продукта», – пояснил доцент кафедры защиты леса, древесиноведения и охотоведения Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета Леонид Леонидович Леонтьев.
Результаты исследований представлены в научном журнале Journal of Renewable Materials (Q2).
Источник информации: СПбГЭТУ "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
Источник фото: cc0collection - ru.123rf.com
