Для того, чтобы разобраться в сути изменений, которые происходят при термообработке древесины, коротко напомним о структуре обычной древесины.

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, поэтому, изучая свойства древесины как материала, особое внимание обращают на строение клеточной оболочки. В технической анатомии древесины оболочку вполне сформировавшейся взрослой клетки принято называть клеточной стенкой.

Основное вещество, слагающее клеточную стенку — целлюлоза. Это углеводный полимер с длинной цепной молекулой. Мельчайшее, но уже различимое с помощью электронного микроскопа структурное образование — элементарная фибрилла — представляет собой пучок макромолекул целлюлозы. В среднем условный диаметр элементарной фибриллы равен 3,5 нм [1 нанометр (нм) = = 10~3 микрометра (мкм) = 10~9 м], хотя по некоторым данным он может доходить до 10 нм. В состав элементарной фибриллы входят примерно 30...40 молекул 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. Эти лентоподобные образования имеют толщину 5...10 нм, ширину 10...30 нм, длину несколько микрометров и включают в себя элементарные фибриллы.

Иногда выделяют более крупные структурные образования, которые видны в обычный световой микроскоп. Это так называемые макрофибриллы, или просто фибриллы, имеющие поперечные размеры около 400 нм и более.

Пространства между целлюлозными микрофибриллами заполнены неуглеводным полимером лигнином, а также гемицеллюлозами — веществами, близкими к целлюлозе, но с меньшей длиной молекул.

Состав обычной древесины:

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%

Какие изменения происходят при термической обработке древесины

( процесс термогидролиза)

Целлюлоза – главная составная часть клеточных стенок. Обеспечивает механическую прочность и эластичность тканей. Представляет собой полисахарид с высокой степенью полимеризации (6000 …14000) 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 микрофибрилы 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.

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, которая 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 улучшению показателей формоустойчивости обработанной древесины.

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 33.0 – 36,0%. По видимому, этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что в древесина в процессе термообработки практически не теряет своих прочностных качеств, так как содержание своеобразного «цемента» в ее структуре практически не меняется.

Фактически, термогидролиз древесины в температурном диапазоне от 150 до 250ºС приводит к лигнификации древесины, но только не биохимической, происходящей при созревании древесины, а физико-химической, происходящей в срубленной древесине. При этом лигнин и псевдолигнин придают клеточным оболочкам прочность, твердость, увеличивают гидрофобность, уменьшая способность впитывать воду и разбухать.

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.