Модификация древесины

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное образовательное 

учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет 

им. Г.Ф. Морозова»

В.А. ШАМАЕВ

Модификация древесины

Учебное пособие

ВОРОНЕЖ 2016

УДК 674.562

Ш 71

Шамаев, В.А. Модификация древесины [Текст]: учеб. пособие по направ
лению подготовки 35.04.02 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», 35.03.02«Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», 35.06.04  «Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве»
05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки / 
В.А. Шамаев. – Воронеж, ВГЛТУ им. Морозова, 2016. - 363 с.

В учебном пособии представлен анализ современных способов модифицирования древесины 
наряду с описанием классических способов – термомеханического, химического, термохимического. Приведены данные по физико-механическим свойствам модифицированной древесины, примеры реализации способов получения конечных изделий (шпалы, паркет, мебельная заготовка и др.). Приводится описание промышленных установок получения модифицированной древесины.

В пособии отражены вопросы пропитки, сушки и прессования цельной натуральной и 

модифицированной древесины с целью создания наукоѐмких энерго- и ресурсосберегающих 
технологий. Дана оценка технико-экономической эффективности  применения изделий из 
модифицированной древесины.

Учебное пособие предназначено для обучающихся по направлению подготовки бака
лавра, магистра и аспирантов «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих 
производств».

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………………5
РАЗДЕЛ 1  Термомеханическое модифицирование древесины…………………6
1.1 Современное состояние  вопроса модифицирования древесины……………6
1.2 Изменение анатомического строения древесины в процессе 
прессования поперѐк волокна…………………………………………………….13
1.3 Деформирование древесины вдоль волокон…………………………………22
1.4  Прессование древесины по способу П.Н. Хухрянского……………………30
1.5  Деформативность древесины при сжатии поперек волокон…………….…44
1.6 Деформирование древесины при равномерном сжатии с 
одновременной сушкой…………………….……………………………………..57
1.7 Моделирование неравномерного прессования древесины…………………66
РАЗДЕЛ 2 Химико-механическое, химическое  и 
термохимическое модифицирование древесины………………………………..77
2.1 Химико-механическое модифицирование древесины аммиаком………….77
2.2 Химическое модифицирование древесины………………………………….81
2.3  Термохимическое модифицирование древесины…………………………..82
РАЗДЕЛ 3 Теоретические предпосылки модифицирования 
древесины карбамидом……………………………………………………………87
3.1 Химические явления при модифицировании древесины карбамидом…….87
3.2Технические модели  торцовой поверхности  древесины…………………..106
РАЗДЕЛ 4 Основные закономерности пропитки, сушки и 
прессования древесины…………………………………………………………...113
4.1 Явления, происходящие при пропитке  древесины………………………113
4.2 Особенности сушки древесины, пропитанной  карбамидом…………….141
4.3  Прессование древесины до плотности древесинного вещества………...149
РАЗДЕЛ 5 Технологические основы получения уплотнѐнной древесины……176
5.1Сравнительная оценка различных способов получения 
прессованной древесины…………….............…...................................................176
5.2 Совмещение стадий сушки и уплотнения в процессе получения 
дестама………………………………………………………..………………....182
5.3 Другие способы получения модифицированной древесины……………..191
5.4 Прессование древесины  вдоль волокон………………………………..…205
РАЗДЕЛ 6  Оптимизация технологических параметров 
получения модифицированной древесины…………………………….………..205

6.1 Исходные данные для оптимизации…………………………………………211
6.2 Результаты активного эксперимента для получения 
функций многокритериальной оптимизации……………………………………212
6.3 Математические модели процесса оптимизации……………………...........217
6.4 Многокритериальная оптимизация процесса получения 
модифицированной древесины……………………….………………………….221
РАЗДЕЛ 7 Физико- механические и эксплутационные 
свойства модифицированной  древесины……………………………………….236
7.1 Физические свойства дестама………………………………………………..237
7.2 Механические свойства дестама…………………………………………..…254
7.3 Эксплуатационные свойства модифицированной  древесины…………….266
РАЗДЕЛ 8 Технология и оборудование получения 
изделий из модифицированной древесины……………………………………..266
8.1 Покрытия полов……………………………………………………………….268
8.2 Подшипники скольжения…………………………………………………….276
8.3 Декоративные элементы мебели……………………………………………..286
8.4 Шпалы для железных дорог………………………………………………….290
РАЗДЕЛ    9    Экономика и  организации  производства изделий 
из модифицированной древесины……………………………………………….300
9.1 Эксплутационные испытания изделий из модифицированной древесины.300
9.2 Производство мебельных заготовок и железнодорожных шпал…………..307
9.3 Организация промышленного производства дестама на ООО « Олми»….314
9.3.1 Тепловой расчет сушильной камеры………………………………………327
9.3.2 Аэродинамический расчет………………………………………………….330
9.3.3 Расчет оптимального выхода дестама……………………………………..332
9.3.4 Полупромышленная установка пропитки древесины с торца под 
давлением и режимы пропитки…………………………………………………..342
9.3.5 Промышленная установка сушки и прессования древесины и 
режимы ее эксплуатации…………………………………………………...…….348
9.3.6 Линия производства дестама………………………………………………353
9.4 Технико-экономические показатели производства 
изделий из модифицированной древесины……………………………………..353
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………...…………358
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………………361

ПРЕДИСЛОВИЕ

Древесина - один из древнейших природных материалов, применяемых 

человеком. К началу ХХI века 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 оче
редь максимально использовать все ценное, что заложено в древесину природой. Сейчас, в ХХI веке, 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 апроба
цию в производственных условиях способ модифицирования древесины с 
предварительной пластификацией раствором карбамида  и последующим уплотнением (прессованием). Новый материал имеет товарный знак «Дестам» 
(древесина, стабилизированная амидами).

Пособие знакомит читателя с последними разработками в области моди
фицирования древесины методом прессования и исследования ее свойств.  Дается всесторонняя характеристика свойств нового материала марки «Дестам».

РАЗДЕЛ 1 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕДПОСЫЛКИ   

МОДИФИЦИРОВАНИЕ 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 яв
ляются 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 соответ
ственно возрастают прочностные свойства. Термическая обработка во всех случаях способствует закреплению приобретенных свойств.

Впервые полученная братьями Пфлеймер в 1915 году прессованная дре
весина 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 мо
дифицирование древесины ацетилированием, энтузиастом которого был К.П. 
Швалбе 6.

Наибольшее распространение в СССР получило термомеханическое мо
дифицирование (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 хими
ческую 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, формо

стабильностью 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 во
прос: 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 ХХI века наметились три ос
новные направления в области модифицирования древесины:

1. Развитие теории прессования древесины, которая в прикладном аспекте по
зволяет уплотнять древесину без разрушения. В конечном итоге это позволит 
получить материал, по прочности не уступающий стали.

2. Совершенствование технологии модифицирования с целью снижения ее се
бестоимости.

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 представлена классификация способов модифицирования по целевому 
признаку, т.е. на улучшение каких свойств направлена реализация того или 
иного способа. Как видно из рис. 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.

2                                               3                                            4

Придание биостойко
сти

Стабилизация 

форм и размеров, гид
рофобность

Увеличение механической прочности и 

износостойкости

Придание огне- и термо
стойкости

ДРЕВЕСИНА

А,Б,В,Г,Д,Е,К

Б,В,Г,Д,З,Л,О,
Б,В,Е,И,К,О

Ж,З

10

Придание или откры
тие новых свойств

Стойкость к атмосферной и химиче
ской коррозии

5

Б,В,Е,З

И,К,Л,П

9

Изменение анизотропии 

и физических свойств 
(реологических, акустических, электриче
ских, тепловых)

8

Придание антифрик
ционных свойств

7

Улучшение декоративных 

свойств

6

Придание пластично
сти

В,Е,Р,О

Н,О,Р
И,К,Л,М

Г,И,К,М

Придание биостой
кости

Рис. 1 Классификатор направлений модифицирования древесины

10

Проанализируем способы, представленные на рис. 1. Отметим, что наи
более 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 нако
пился 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.

Таблица 1

Сравнение способов модифицирования древесины

Цели модифицирования
Способы модифицирования

Термомеханический

Химикомеханический

Термохимический (радиацио-нный)

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 видно, что преимущество (не касаясь технологичности способов) 

имеет химико-механический способ, при котором: а) используются все техни