background

Для специалистов (процесс)

Изменения структуры древесины при термообработке  на химическом уровне.

Для того, чтобы разобраться в сути изменений, которые происходят при термообработке древесины, коротко напомним о структуре обычной древесины.
ДРЕВЕСИНА (ксилема) — ткань древесных и кустарниковых растений, придающая им механическую прочность и участвующая в их питании. Древесина состоит из клеток (волокон, сосудов и др.) с одревесневшими (пропитанными лигнином) оболочками и составляет основную часть ствола, корней и ветвей растений. Между корой дерева и самой древесиной находится слой живых клеток (камбий), при делении которых, с одной стороны, образуется кора, с другой — новый слой древесины. А наружные молодые физиологически активные слои древесины, примыкающие к камбию, называются заболонь. 
Химический состав древесины зависит от породы и возраста деревьев, от части дерева, а также от типа леса, в котором росли деревья.

Природная древесина — гигроскопичный материал капиллярнопористой структуры, способный удерживать влагу в макропорах (в полости клеток — свободная влага) и микропорах (между фибриллами клеточной стенки — связанная, или гигроскопичная влага). При удалении связанной влаги древесина уменьшается в размерах. В сформировавшейся древесине имеются пустые или заполненные различными веществами пространства между округленными углами клеток — межклетники.
Срубленная древесина состоит из клеток с отмершим протопластом (клетка состоит из оболочки и живого содержимого — протопласта), т.е. из одних клеточных оболочек. Оболочку вполне сформировавшейся взрослой клетки называют клеточной стенкой.


Главные компоненты клеточной стенки:



  • Целлюлоза 41—58 %
    
  • Гемицеллюлозы 15—38 % (Гексозаны+Пентозаны)
    
  • Лигнин 17—34 %
    
  • Экстрактивные вещества (смолы, камеди, танниды, жиры и др.) 0,8—6,9 %
    
  • Минеральные вещества 0,1—1 %


Целлюлоза – главная составная часть клеточных стенок.
Обеспечивает механическую прочность и эластичность тканей. Представляет собой углеводный полимер — полисахарид с высокой степенью полимеризации (6000—14000).
Мельчайшее, структурное образование — элементарная фибрилла — представляет собой пучок макромолекул целлюлозы. Элементарные фибриллы включают участки с упорядоченным (кристаллические области, до 70—80 %) и беспорядочным (аморфные области) расположением молекул целлюлозы.
Структурные элементы, различное расположение которых создает слоистое строение клеточной стенки, называются микрофибриллами.
Целлюлоза является тем компонентом древесины, который при термообработке при повышении температуры до 240—250 ْС подвергается незначительному разрушению.


При повышении температуры процесса до 240 ْС степень полимеризации целлюлозы уменьшается. Это объясняется тем, что образовавшаяся в результате гидролиза гемицеллюлозы уксусная кислота деполимеризует микрофибриллы целлюлозы на аморфных участках. В итоге уменьшается длина полимерных цепочек и увеличивается кристалличность целлюлозы, повышается ее химическая стойкость и снижается активность. При этом удаляется связанная вода, оксид и диоксид углерода.
Данные изменения положительно влияют на показатели равновесной влажности и стабильности размеров термомодифицированной древесины (она значительно  утратит способность к впитыванию влаги — «набуханию», что в свою очередь ведет к повышению стабильности ее размеров). Несколько увеличатся показатели твердости древесины при незначительном уменьшении прочности. Пространства между целлюлозными микрофибриллами заполнены неуглеводным полимером лигнином, а также гемицеллюлозами.



Гемицеллюлозы

Гемицеллюлозы — это полисахариды, выполняющие в клеточной стенке функцию аморфного цементирующего состава. Гемицеллюлоза состоит из относительно коротких макромолекул, молекулярная масса которых значительно меньше, чем у целлюлозы. Степень полимеризации обычно равна 60—200. Гемицеллюлозы входят в состав клеточной стенки, а также откладываются в клетках и служат запасными питательными веществами.
Гемицеллюлоза является тем компонентом древесины, который подвергается наибольшей деструкции в процессе термообработки.
При повышении температуры процесса до 120 ْС из ацетилированной гемицеллюлозы путем гидролиза образуется уксусная кислота, которая при дальнейшем повышении температуры процесса служит катализатором гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров (арбидозы, галактозы, ксилозы, маннозы).

Эти сахара выводятся из технологического процесса за счет своей растворимости в воде.
Температура полного разложения гемицеллюлозы в зависимости от условий процесса варьируется в интервале от 200 до 260 ْС. При известных условиях термообработки древесины лишь небольшая часть гемицеллюлозы остается в ней, но это уже не влияет на приобретаемые древесиной новые качества. Результат — существенно снижается объем материала, чувствительного к грибку, что приводит к повышению (на несколько порядков) показателей устойчивости к разрушению под воздействием грибка по сравнению с древесиной мягких пород, высушенной в обычной печи.
С разложением гемицеллюлозы снижается концентрация водопоглощающих гидроксильных групп, что приводит к улучшению показателей формоустойчивости обработанной древесины.



Лигнин 

Лигнин, как аморфный полимер, является своего рода связующим между фибриллами целлюлозы, придавая прочность и жесткость клеточной стенке (если целлюлоза по своим свойствам соответствуют арматуре, то лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, — бетону).
Лигнин нерастворим в воде и органических растворителях, устойчив к действию ферментов, не участвует в обмене веществ.
При низких температурах процесса (до 200 ْС) преобладающими являются реакции гидролитического разложения углеводов древесины и частичная деполимеризация лигнина с образованием низкомолекулярных фрагментов, способных растворяться в органических растворителях (диоксан-вода, этанол-вода, ацетон-вода) и в водных растворах щелочей. Повышение температуры процесса усиливает степень деструкции углеводов древесины, а между тем с реакциями деполимеризации лигнина начинают конкурировать реакции его реполимеризации.

Поэтому при изменении температуры технологического процесса до 200 ْС количество лигнина в древесине падает, а с увеличением температуры процесса количество лигнина заметно возрастает, достигая 33—36 %. По-видимому, этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что древесина в процессе термообработки практически не теряет своих прочностных качеств, так как содержание своеобразного «цемента» в ее структуре практически не меняется.



Экстрактивные вещества

Древесина содержит незначительное количество маломолекулярных компонентов. На экстрактивные вещества приходится менее 5 % древесины. Экстрактивные вещества разнородны в различных породах дерева, и количество составных структур очень велико. Экстрактивные вещества не являются структурными компонентами древесины, большинство составных структур легко испаряются при термообработке.