Модифицирование древесины

В.А. ШАМАЕВ, Н.С. НИКУЛИНА, И.Н. МЕДВЕДЕВ 

Модифицирование древесины 

Монография 

Москва 
Издательство «ФЛИНТА» 
2013 

УДК 674.812.2 
ББК  37.133.6 
Ш19 

Р е ц е н з е н т ы :  
кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения 
Сибирского государственного технологического университета –  
д-р техн. наук, проф. зав. кафедрой В.Н. Ермолин; 
кафедра древесиноведения Воронежской государственной лесотехнической

академии – д-р техн. наук, зав. кафедрой А.Д. Платонов 

Шамаев В.А. 
Ш19       Модифицирование древесины [Электронный ресурс]: монография / 
В.А. Шамаев, Н.С. Никулина, И.Н. Медведев. – М. : ФЛИНТА, 2013. –     
448 с. : илл. 
ISBN 978-5-9765-1605-2  

В монографии представлен анализ современных способов модифицирования
древесины, теоретические основы модифицирования древесины карбимидом. Приведены
данные по физико-механическим свойствам модифицированной древесины, примеры
реализации способов получения конечных изделий (шпалы, паркет, подшипники
скольжения, мебельная заготовка и др.). Приводится описание промышленных установок и
технологических режимов получения модифицированной древесины, а также получения
древесины с  заданными свойствами, в том числе определенного цвета и текстуры. В
монографии отражены вопросы пропитки, сушки и прессования цельной натуральной и
модифицированной древесины с целью создания прорывных наукоёмких энерго- и
ресурсосберегающих технологий, в том числе нанотехнологий. Дана оценка техникоэкономической эффективности  применения изделий из модифицированной древесины. 
Для научных сотрудников, аспирантов и инженерно-технических работников, 
занимающихся улучшением свойств древесины. 

УДК 674.812.2 
ББК  37.133.6 

ISBN 978-5-9765-1605-2                                       © Шамаев В.А., Никулина Н.С.,  
Медведев И.Н., 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………………..5 
 
РАЗДЕЛ 1. Термомеханическое модифицирование прессование древесины……7 
1.1. Современное состояние вопроса модифицирования древесины……………..7 
1.2. Изменение анатомического строения древесины в процессе  
прессования поперёк волокна………………………………………………………13 
1.3. Деформирование древесины вдоль волокон………………………………….26 
1.4. Деформативность древесины при сжатии поперек волокон…………….…..34 
1.5. Деформирование древесины при равномерном сжатии  
с одновременной сушкой……….…………………………………………………..53 
1.6. Моделирование неравномерного прессования древесины…………………..60 
 
РАЗДЕЛ 2. Теоретические предпосылки модифицирования  
древесины карбамидом……………………………………………………………...70 
2.1. Химические явления при модифицировании древесины карбамидом……...70 
2.2.Технические модели торцовой поверхности древесины……………………...85 
 
РАЗДЕЛ 3. Основные закономерности пропитки, сушки и прессования 
древесины……………………………………………………………………………90 
3.1. Моделирование процесса пропитки древесины жидкостью………………..90 
3.2. Исследование процесса пропитки древесины……………………………….116 
3.3. Особенности сушки древесины, пропитанной карбамидом………………..147 
3.4. Прессование древесины до плотности древесинного вещества…………....166 
 
РАЗДЕЛ 4. Технологические основы получения уплотнённой древесины……187 
4.1. Сравнительная оценка различных способов получения  
прессованной древесины………………………………………………………….187 
4.2. Совмещение стадий сушки и уплотнения в процессе получения Дестама..192 
4.3. Другие способы получения модифицированной древесины……………….200 
4.4. Прессование древесины  вдоль волокон…………………………………..…209 
4.5. Стабилизация форм и размеров древесины химическими ифизическими 
методами……………………………………………………………………………211 
4.6. Применение наноцеллюлозы в процессах склеивания и прессования 
модифицированной древесины…………………………………………………...224 
 
РАЗДЕЛ 5. Получение модифицированной древесины с измененным цветом, 
текстурой и высокой теплопроводностью………………………………………..231 
5.1. Крашение в процессе модифицирования древесины……………………….231 
5.2. Изменение текстуры древесины в процессах пропитки и прессования…..260 
5.3. Металлизация древесины, тепловой расчет и исследование 
триботехнических характеристик подшипников из древесины………………..287 
 

РАЗДЕЛ 6. Физико-механические и эксплутационные свойства 
модифицированной древесины……………………………………………………319 
6.1. Физические свойства Дестама………………………………………………..319 
6.2. Механические свойства Дестама…………………………………………..…329 
6.3. Эксплуатационные свойства модифицированной древесины……………...336 
 
РАЗДЕЛ 7. Технология и оборудование получения изделий из 
модифицированной древесины……………………………………………………345 
7.1. Покрытия полов……………………………………………………………….345 
7.2. Подшипники скольжения……………………………………………………..354 
7.3. Декоративные элементы мебели……………………………………………..363 
7.4. Шпалы для железных дорог…………………………………………………..366 
 
РАЗДЕЛ 8. Экономика и организации производства изделий из 
модифицированной древесины……………………………………………………385 
8.1. Эксплутационные испытания изделий из модифицированной 
древесины…………………………………………………………………………..385 
8.2. Производство мебельных заготовок и железнодорожных шпал…………..391 
8.3. Организация промышленного производства Дестама  
на ООО «Олми»……………………………………………………………………397 
8.4. Технико-экономические показатели производства изделий из 
модифицированной древесины……………………………………………………427 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………...…………..434 
БИБЛИОГРАФИЯ………………………………………………………………….436 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Древесина – один из древнейших природных материалов, применяемых 
человеком. К началу ХХI в. все положительные свойства древесины были известны и активно использовались. Тогда же были разработаны способы устранения недостатков, присущих древесине как конструкционному материалу, т.е. 
горючести и поражаемости грибами и насекомыми. В это же время начинают 
разрабатываться способы улучшения природных и придания новых свойств, получивших название «облагораживание». Древесина, как анизотропный материал, обладает неодинаковыми свойствами в различных направлениях симметрии. 
Так, по прочностным свойствам, древесина в несколько раз уступает стали, но 
приведенная прочность (на единицу прочности) у древесины выше. Если же 
брать отдельные элементы строения древесины, то например, предел прочности 
при растяжении древесного волокна в 10 раз выше, чем стали. 
Поэтому, говоря о задачах модифицирования, необходимо в первую очередь максимально использовать все ценное, что заложено в древесину природой. 
Сейчас в области использования древесины на первый план выдвигаются задачи 
получения материалов из древесины с заданными свойствами, поскольку древесина является единственным природным возобновляемым конструкционным  
материалом. Модифицированная древесина является полноценным заменителем 
древесины твердых лиственных и экзотических пород, пластмасс, черных и 
цветных металлов. Например, упрочняя древесину мягких лиственных пород 
(осина, ольха, береза, тополь) и пропитывая ее антифрикционными составами, 
получают подшипники скольжения, способные заменить до 20% применяемых 
подшипников скольжения и качения. Расчеты показывают, что потребность в 
модифицированной древесине в России составляет 250 тыс. м3 (по тем позициям, где выявлена экономическая целесообразность), в том числе 120 тыс. м3 – 
мебельные заготовки, 30 тыс. м3 – детали машиностроения, 100 тыс. м3 – строительство. 
В Воронежской лесотехнической академии разработан и прошел апробацию в производственных условиях способ модифицирования древесины с предварительной пластификацией раствором карбамида  и последующим уплотнением (прессованием). Новый материал имеет товарный знак «Дестам» (древесина, 
стабилизированная амидами). 
Предыдущая монография по модифицированию древесины вышла более 
10 лет назад. За это время появились новые методы и технологии древесины.  
Нанотехнологии стали неотъемлемой частью деревообработки, также как 
новейшие методы физики древесины – обработка ультразвуком, СВЧ-полем, 
импульсным электромагнитным воздействием и др. 
II международный симпозиум по модификации древесины (Стокгольм, 
2011 г.) показал, что модифицированием древесины занимаются во всех промышленно развитых странах мира и число предприятий, выпускающих продукцию из такой древесины исчисляется сотнями. 

Монография не претендует на роль справочника по модификации древесины, она осуществляет преимущественно возможности химико-механического 
способа (по классификации ГОСТ 9629-85) и результаты последних достяжений 
в этой области с формулировкой задач теоретических и экспериментальных исследований на ближайшие 20–30 лет. 
Авторы благодарят за помощь в подготовке и издании рукописи доктора 
технических наук О.Р. Дорняк, кандидата технических наук А.И. Анучина, кандидата технических наук Н.А. Трубникова, кандидата технических наук  
А.А. Томина. 
 

РАЗДЕЛ 1 
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПРЕССОВАНИЕ 
ДРЕВЕСИНЫ 
 
1.1. Современное состояние вопроса модифицирования древесины 
 
Наиболее изученными и широко применяемыми способами улучшения 
свойств древесины являются ее антисептирование и антипирирование, которые 
широко освещены в специальной литературе [1], и поэтому на них нет необходимости останавливаться. Рассмотрим способы улучшения таких свойств древесины, как повышение прочности, стабильности размеров, антифрикционных 
свойств и др. 
Как известно, основными техническими приемами модифицирования являются пропитка, прессование и термическая обработка, включающая сушку 
древесины. Дополнительно древесина может подвергаться воздействию магнитных и электрических полей, ультразвука, проникающей радиации, энергии лазера, плазмы и т.д. 
Посредством пропитки вводятся вещества, увеличивающие прочность, 
формостабильность древесины. 
В результате прессования увеличивается плотность древесины и соответственно возрастают прочностные свойства. Термическая обработка во всех случаях способствует закреплению приобретенных свойств. 
Впервые полученная братьями Пфлеймер в 1915 г. прессованная древесина выпускается до сих пор в небольших количествах в Западной Европе и США 
под марками «лигностон», «стейпак», «стейбвуд». Основное назначение – ткацкие челноки. Одновременно с появлением прессованной древесины начали развиваться способы модифицирования древесины, основанные на пропитке древесины синтетическими мономерами и олигомерами. Эти способы получили развитие в Японии, Германии, США и Польше. В Польше древесина, модифицированная стиролом (товарный знак «лигномер»), выпускается и в настоящее время. 
В Словакии, начиная с 70-х годов ХХ в., выпускается модифицированная 
аммиаком прессованная древесина марки «лигнамон». 
Однако наиболее глубокие исследования и широкая производственная 
проверка в области модифицирования древесины были проведены в СССР. В 
нашей стране сложились 4 направления модифицирования, отраженные в государственных стандартах [2]: термохимическое (радиационно-химическое), термомеханическое, химическое и химико-механическое. 
Термохимическое модифицирование древесины заключается в пропитке 
сухой древесины мягких лиственных пород синтетическими мономерами и олигомерами. Этот способ получил распространение в Белоруссии под руководством Г.М. Шутова [3] и А.С. Фрейдина [4] в г. Обнинске. В результате обработки древесина приобретает водо-влагостойкость, повышенную прочность. Недостатком способа является высокая стоимость, токсичность модифицирующих 

агентов и сложность технологического процесса. Эти обстоятельства привели к 
тому, что организованное производство изделий из модифицированной древесины (г. Гродно, г. Борисов, г. Соликамск) в настоящее время остановлено. Несколько дольше просуществовало производство древесно-полимерных подшипников скольжения, где сочетались пропитка полимерами с прессованием древесины. Теория и практика этого производства разработана Б.И. Купчиновым и 
В.И. Врублевской [5]. 
В семидесятых годах возникло, но не получило развития химическое модифицирование древесины ацетилированием, энтузиастом которого был  
К.П. Швалбе [6]. 
Наибольшее распространение в СССР получило термомеханическое модифицирование (прессование) древесины, развитое в трудах П.Н. Хухрянского, 
Н.Т. Нысенко [7,8]. По этому способу древесина уплотняется в пресс-формах до 
требуемой прочности, затем наполняется антифрикционными составами. Применяется для изготовления деталей трения. Недостатки способа те же, что и у 
предыдущих способов – сложность и мелкосерийность производства, нестабильность материала в среде с переменной влажностью. По этой причине десятки опытно-промышленных цехов и участков по выпуску прессованной древесины со временем закрылись, и в России действует лишь одно предприятие во 
Владимирской области, выпускающее заготовки для ткацких челноков. 
Химико-механическое модифицирование древесины, включающее химическую пластификацию аммиаком и последующее уплотнение наибольшее развитие получило в Латвии, где работали талантливые ученые Г.В. Берзиньш и 
К.А. Роценс [9, 10]. Модифицированная древесина, получаемая по этому способу, обладала повышенной, по сравнению с прессованной древесиной, формостабильностью и имела товарный знак «лигнамон». Впервые при реализации этого 
способа технологические стадии уплотнения и сушки были совмещены (хотя и 
частично) по месту и времени. Разработанная технология получения «лигнамона» автоклавным методом нашла применение в Словакии, где «лигнамон» производится  для моделей литья и товаров народного потребления. Недостатком 
данного способа является необходимость работы с токсичным аммиаком и, как 
следствие, сложность технологического оборудования. 
Анализ способов модифицирования древесины закономерно ставит вопрос: целесообразно ли экономически модифицировать древесину? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим проблему с другой стороны: является ли модифицированная древесина уникальным материалом, не имеющим традиционных 
сфер применения? Нет, все современные марки модифицированной древесины 
позволяют квалифицировать ее как материал, идущий на замену классических 
конструкционных материалов. Так, прессованная древесина применяется как 
заменитель черных и цветных металлов, пластиков и пластмасс в узлах трения 
машин и механизмов. Поэтому, несмотря на примитивную технологию получения и, как следствие, на очень высокую себестоимость, подшипники скольжения 

и ткацкие челноки из прессованной древесины будут находить применение, хотя 
и в небольших объемах. 
Широкое развитие модифицирования древесины следует ожидать в том 
случае, если технология ее получения будет усовершенствована до такой степени, что себестоимость изделий из модифицированной древесины будет значительно ниже себестоимости изделий из древесины твердых лиственных пород. 
Итак, можно констатировать, что на начало XXI века наметились три основных направления в области модифицирования древесины: 
1.  Развитие теории прессования древесины, которая в прикладном аспекте 
позволяет уплотнять древесину без разрушения. В конечном итоге это позволит получить материал, по прочности не уступающий стали. 
2.  Совершенствование технологии модифицирования с целью снижения ее 
себестоимости. 
3.  Придание древесине новых, не характерных для нее свойств (например, 
полную гидрофобность, «эффект памяти», аномально низкий коэффициент 
трения, тепло-электропроводность, сверхпластичность и другие). 
Рассмотрим этот вопрос наиболее подробно. Приведенная в стандарте [2] 
классификация способов является феноменологической, отражает сложившиеся 
научные направления, но не отражает существа и задач модифицирования. На 
рис. 1.1 представлена классификация способов модифицирования по целевому 
признаку, т.е. на улучшение каких свойств направлена реализация того или иного способа. Как видно из рис. 1.1, таких способов 10, реализация каждого способа включает одну или несколько из 16 операций, которые перечислены ниже 
А. Пропитка антисептиками. 
Б. Пропитка синтетическими мономерами и олигомерами. 
В. Пропитка синтетическими смолами. 
Г. Ацетилирование. 
Д. Пропитка гидроксилсодержащими агентами. 
Е. Прессование. 
Ж. Пропитка антипиренами. 
З. Пропитка кремнийорганическими соединениями. 
И. Пропитка аммиаком и аминами. 
К. Пропитка карбамидом и амидами. 
Л. Гидротермическая обработка. 
М. Пропитка красителями. 
Н. Пропитка антифрикционными и фрикционными составами. 
О. Пропитка металлами и сплавами. 
П. Пропитка серой, персульфатом аммония, диметилсульфоксидом. 
Р. Воздействие магнитных, электрических, звуковых полей, ионизирующей и 
лучевой радиации. 

1                                          2                                               3                                            4 
 
 
Придание биостойкости 

Стабилизация  
форм и размеров, 
гидрофобность 

Увеличение механической прочности и 
износостойкости 

Придание огне-  
и термостойкости 

 
 

      ДРЕВЕСИНА 

А, Б, В, Г, Д, Е, К

Б, В, Г, Д, З, Л, О, П
Б, В, Е, И, К, О

Ж, З

10 

Придание или  
открытие новых 
свойств 

Стойкость к атмосферной и химической коррозии 

5

Б, В, Е, З

И, К, Л, П

9 

Изменение анизотропии 
и физических свойств 
(реологических, акустических, электрических, тепловых)

8

Придание антифрикционных свойств 

7

Улучшение декоративных 
свойств 

6

Придание 
пластичности 

В, Е, Р, О

Н, О, Р
И, К, Л, М

Г, И, К, М

Придание 
биостойкости 

Рис. 1.1. Классификатор направлений модифицирования древесины 

Проанализируем способы, представленные на рис. 1.1. Отметим, что наиболее полно изучены биологическая коррозия и воздействие насекомых на древесину, а также огнезащита [11, 12], которые в настоящей работе не рассматриваются. 
Химическая и атмосферная коррозия древесины изучена Ф. Колльманом 
[13]. Стабилизация форм и размеров древесины в среде с переменной влажностью в литературе анализируется многими исследователями, среди которых в 
первую очередь следует упомянуть В.Ф. Анненкова [14]. Способы модифицирования древесины, направленные на увеличение ее прочностных свойств, приведены в трудах М.С. Мовнина и Н.А. Модина [14, 15]. Придание древесине пластических свойств применялось при гнутье и прессовании древесины. В качестве пластификатора используются водяной пар, аммиак, карбамид [17–19]. Известно также, что карбамид не только пластифицирует древесину, но и предохраняет ее от растрескивания при сушке и увеличивает огнестойкость и прочность [20]. 
Улучшение декоративных свойств древесины изучено достаточно полно 
[21]. Так же большое количество работ посвящено антифрикционным свойствам 
древесины [22, 23]. Большой интерес представляют работы Лавничака и Золднерса [24, 25], об изменении анизотропии и физических свойств древесины. Среди способов, придающих древесине новые свойства, следует отметить перевод 
ее в жидкое состояние [26] и проявление эффекта памяти [27]. 
Таким образом, можно констатировать, что в конце ХХ столетия накопился большой экспериментальный материал по получению модифицированной 
древесины и исследованию ее свойств. Фундаментальными трудами в области 
технического древесиноведения  В.В. Вихрова, В.И. Патякина, В.М. Иванова, 
В.А. Баженова, В.Е. Москалевой, Б.И. Огаркова, В.М. Хрулева были заложены 
теоретические основы модифицирования древесины. Дальнейшее решение проблемы модифицирования древесины следует искать в выборе наиболее рационального способа и всестороннем изучении. Для этого проведем сравнительный 
анализ пяти способов модифицирования древесины по степени реализации задач 
модифицирования, глубине их воздействия на древесину на различных уровнях 
строения и использования технических приемов модифицирования. Поскольку 
термохимический и радиационно-химический способы являются по существу 
одним и тем же способом (инициатор полимеризации роли не играет), объединяем их в один способ, как показано в табл. 1.1. 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 1.1 
Сравнение способов модифицирования древесины 
Способы модифицирования 

Цели модифицирования 

Термомеханический 

Химикомеханический 

Термохимичес-кий 
(радиационный) 

Химический 

1. Придание биостойкости 
– 
± 
+ 
± 

2. Стабилизация форм и размеров, гидрофобность 
– 
± 
+ 
+ 

3. Увеличение механической прочности и износостойкости 
+ 
+ 
+ 
– 

4. Придание огне-и термостойкости 
– 
+ 
+ 
– 

5. Стойкость к атмосферной и химической 
коррозиям 
– 
+ 
+ 
± 

6. Придание пластичности 
± 
+ 
– 
– 

7. Улучшение декоративных свойств 
± 
+ 
+ 
– 

8. Придание антифрикционных свойств 
+ 
+ 
– 
– 

9. Изменение анизотропии и физических 
свойств (реологических, электрических, тепловых и др.) 

+ 
+ 
+ 
– 

Технические приемы модифицирования 

1. Пропитка 
± 
+ 
+ 
+ 

2. Прессование 
+ 
+ 
– 
– 

3. Гидротермообработка 
+ 
+ 
+ 
+ 

Уровни строения древесины 
1. Элементарная структура 
– 
+ 
± 
+ 

2. Ультромикроструктура 
– 
+ 
+ 
– 

3. Микроструктура 
+ 
+ 
+ 
– 

4. Макроструктура 
+ 
+ 
– 
– 

Примечание. (+) реализуется полностью; (±) реализуется частично; (–) не реализуется 
 
Из табл. 1.1 видно, что преимущество (не касаясь технологичности способов) имеет химико-механический способ, при котором: а) используются все технические приемы модифицирования; б) изменяются все уровни структурной организации древесины; в) из 9 задач модифицирования 7 реализуются полностью 
и 2 частично. В качестве пластификатора при химико-механическом модифицировании целесообразно использовать карбамид как нетоксичный дешевый реагент [28, 29].