Дерево – материал будущего, из которого при правильном использовании можно будет производить долговечные изделия

Эстония известна в мире богатством лесов и опытом строительства высотных зданий из дерева. Благодаря достижениям науки и новым технологиям мы научились выпускать все более качественные материалы и умеем наилучшим образом использовать древесину, которую получаем из леса. А чтобы найти еще более экологичные решения использования древесины, да еще и с большей добавочной ценностью, включая и использование возможностей лиственной древесины, пока еще мало используемой, необходимо выяснять, от чего зависит качество древесины и возможности использовать её в производстве. Основные принципы дендрологии объясняет профессор Таллинского технического университета Яан Керс.

С Яаном Керсом мы встречаемся в корпусе технологии обработки древесины TalTech. Проходим по лабораториям, говорим о находящихся в работе проектах и о том, как студенты посредством науки и развивающих практик знакомятся с возможностями и особенностями использования древесины. О том, что обучение происходит посредством практической деятельности, свидетельствуют книжный шкаф вдоль стены, диван для гостей, стоящий у входной двери, объемная картина из дерева на стене, а также другие спроектированные и выполненные студентами предметы мебели в различных помещениях этого здания.

Выясняется, что любимый эстонцами материал – дерево – требует огромного внимания в работе и ошибки, допущенные в проектировании, исправить очень сложно.
“Качество древесины диктует, что из нее можно сделать. А собственно качество это зависит от того, где росло дерево: на семи ветрах, на берегу, на склоне горы, на известняковой почве или песчаной, как быстро оно росло и что за вид дерева, словом, от множества факторов, — поясняет профессор Керс. – Сегодня в качестве строительного материала мы используем в основном хвойную древесину. Сосна и ель имеют ровные прямые стволы, единообразные годовые кольца, и что-то можно сделать даже из тонкого деревца. А нам надо шире использовать лиственную древесину”.
Ученый добавляет, что лиственные породы растут быстрее, и в будущем, учитывая потепление климата, удельный вес этих пород в Эстонии будет, вероятно, больше. Но в то же время лиственная древесина будет покривее, чем хвойная, она более сучковатая и более восприимчива к болезням.

Внутреннее напряжение

Заготавливая и используя в строительстве древесину, необходимо считаться с ее свойствами: как они изменятся при разных режимах сушки и распиловке.

Керс берет с полки две книги по дендрологиии показывает для начала рисунок, демонстрирующий сердцевину дерева. “Первые 10-20 лет хвойное дерево растет быстро и годовые кольца вот такие, в которых много весенней древесины и мало осенней, — указывает профессор на годовые кольца в ранней стадии развития дерева в сравнении с более поздней частью его роста. – У нас такое большое отличие особенно наглядно проявлено у деревьев, которые выросли на брошенных полях, сенокосах и залежных землях”.

Выясняется, что сердцевина, окружающая ее ранняя древесина, а также идущие от центра к коре сердцевинные лучи – это самая слабая часть дерева. Дело в том, что в молодом дереве клетки делятся быстро и они не успевают вырасти длинными. А в процессе сушки дерева именно эта его часть сжимается больше всего, клетки сердцевинных лучей разрываются от внутреннего напряжения и возникают трещины.

“Чем быстрее высушивается древесина, тем больше внутренние напряжения, и тем большие щели образуются. Именно этого стараются избежать при сушке древесины”. И хотя они слабы, есть и своя причина существования сердцевинных лучей – по ним перемещаются питательные вещества в горизонтальном направлении, и когда мы рубим дрова, то полено легче трескается именно там, где проходят эти лучи.

Семь раз отмерь …

„Если резать дерево таким образом, — Керс берет доску, на которой хорошо видны годовые кольца, — то мы видим, что более светлая часть весенней древесины состоит из крупных клеток, чтобы они могли перекачать наверх максимальный объем воды и питательных веществ”.

В осенней древесине клетки меньше и толстостенные, они придают механическую крепость древесине. И они в три раза прочнее, чем тонкостенные клетки весенней древесины и лучше сопротивляются износу, поясняет Керс, почему так важно правильно пилить дерево, учитывая на что пойдут доски, и как они будут изнашиваться по мере использования.

„Если изнашивается половая доска, полученная методом радиального распила, то несколько истирается часть весенней древесины, расположенной между двумя осенними годовыми кольцами. В этом случае истирание не так заметно, как у досок полученных методом тангенциального распила, когда материал получают со стороны заболони, то есть более молодой древесины ствола, — рассказывает профессор Керс. – Самый износостойкий материал получают именно из середины ствола – это ядровая древесина. Правильно распиливая древесину, если древесные волокна прямые и нет крени, и используя верный режим сушки, мы получаем сухой пиломатериал, который не горбится и не гнется”.

Профессор приводит в пример старые половые доски на мызах – они ровные и в них редко встречаются щели. Единственная проблема – они снашиваются. “Для деревянных полов очень важен хороший уход, лакировка, чтобы в полу не образовывались впадины. Иначе на тангенциональных досках, например, начинают расходиться годовые кольца, и доски будут слоиться”.

Должна ли рубка зависеть от времени года?
“Если заготавливать древесину в то время, когда по ней идут питательные соки, то есть весной, то надо помнить, что сопротивление заболони вредителям и грибам меньше”, — разъясняет господин Керс.

Заболонь – это часть дерева, по которой идет активное движение питательных веществ и влаги, особенно весной.

“Когда соки и глюкоза поступают в клетки дерева, то грибкам и вредителям самое время добывать там пропитание, — поясняет господин Керс. – Свою роль играет и погода: если она сухая, жаркая, то легче возникает синева древесины. Поэтому во время весенних рубок важно как можно быстрее пустить древесину в дело”.

С помощью дерева добывать полезные ископаемые

Если весной идут соки — мы же сами собираем березовый сок или кленовый – то зимой соки не движутся, они накоплены в корневой системе. Когда я спрашиваю, как это сказывается на составе вырубаемого древостоя, глаза моего собеседника загораются: “Это было бы очень важно исследовать. Если срубить два-три дерева в одном и том же месте, но в разное время года, то можно узнать, каково воздействие на химический состав древесины, ее прочность, какие металлы содержат деревья, выросшие в разных местах, скажем, цинк, кадмий, свинец, медь?”.
Я спрашиваю, значит, мы можем в годы, когда не проводятся рубки, добывать цветные металлы? Керс не возражает. У каждого вида дерева, дескать, своя таблица Менделеева, которая постоянно перемещается между корневой системой и различными частями дерева, но объем цветных металлов в древесине очень мал.

“Особенности дерева могут отличаться в зависимости от места произрастания — то ли это известняковая почва, как в Северной Эстонии, то ли песчаная, как в Южной Эстонии, — и от времени года. Необходимо непременно провести исследование механических свойств древостоя и его химического состава, произрастающего в разных регионах Эстонии. В Финляндии, Швеции, Норвегии такие исследования уже проведены. Одновременно у них есть возможность сравнивать свойства древесины, с разницей произрастания в 1000 километров.

«Для Эстонии это, конечно, масштабный и сложный проект, в котором нужно определить точную методику отбора мест произрастания опытных деревьев, а также систему при распиловке древесины, подборе режима сушки, чтобы результаты опытов были сравнимы, — считает профессор Керс. – Для его реализации необходимо сотрудничество ученых TalTech, и Эстонского университета естественных наук с предприятиями, RMK, Союзом частных лесовладельцев и другими организациями».

Место сучка ведет к новым решениям

Керс считает, что двигателем инноваций в деревообрабатывающей промышленности является потребитель, который хочет видеть чистые и ровные поверхности и в то же время экологичное изделие. И здесь хороший пример – древесина, склеенная на зубчатый шип.

“На качество конечного изделия могут повлиять разные факторы, — говорит господин Керс. – Возьмем, например, места среза сучков на дереве. Если ты шпаклюешь это место внутри оконного или дверного проема, то это неудобно. И место это из-под белой краски все равно выбивается желтоватым оттенком в силу наличия смолы. В любом случае место сучка будет видно”.

По словам Керса, проблему решили использованием различных пластиковых накладок, для которых нет проблемы сучков. В то же время в деревообрабатывающей промышленности научились производить бессучковую древесину, стали использовать сращивание на зубчатый шип, с таким материалом нет проблем со шпаклеванием и проглядыванием среза сучка.

“Технологии, которые мы используем, становятся все более экологичными, но появляются и новые вызовы: как правильно использовать гидрофильную древесину, материал, который любит влажность?” — спрашивает профессор. Дело в том, что сейчас перешли с систем защиты древесины, основанных на растворителях (например, биоциты и древозащитные средства) на водоосновные системы.

“Первый слой пропитки, который наносят на дерево, глубоко не проникает, остается на поверхности, не “пробивает” даже на миллиметр. А вот средства обработки на водной основе, те поднимают древесное волокно. Средства обработки на основе растворителей не действуют на древесное волокно так агрессивно, не заставляют поверхность древесины набухать”, — разъясняет Керс.

Но он считает, что и тут выход есть: надо провести промежуточное шлифование, чтобы поверхность древесины не стала шершавой. И добавляет, что дерево не прощает, если его неправильно используют.

Для строительства годится любой кусок древесины?
И снова мы говорим о клетках и выращивании деревьев, о том, что любой кусок древесины не обязательно можно использовать в строительстве. «Вот тут отлично видно, что на месте сжатых годовых колец содержание лигнина больше», — показывает Керст, на так называемую реакционную древесину. Так дерево отвечает на одностороннее давление, например, ветер, или начнет наращивать осеннюю древесину, поскольку растет на склоне горы. И действительно по срезу дерева видно, что с одной стороны кольца осенней древесины шире и лучше видны, а на левой стороне они уже.
«Из такой древесины невозможно получить хорошую доску, возникнут изгибы, материал будет неровным после сушки. На лесопилках стараются определить часть реакционной древесины в пиломатериале, чтобы избежать потом проблем с качеством, — поясняет господин Керс. – В реакционной древесине длина волокон различная, в нижней части они короче и сжаты, а в верхней части они вытянуты, поэтому длиннее. А тяговая древесина лиственных пород во время шлифовки становится волокнистой, ее не так легко сделать гладкой».
Из-за реакционной древесины ветви деревьев, какими бы толстыми они ни были, не очень-то годятся для производства мебели и деревянных изделий.

Но реакционная древесина является препятствием даже в производстве качественной бумаги, когда в ходе химического процесса древесные волокна перерабатывают в тонковолокнистую целлюлозу. В такой древесине волокна разной длины, поэтому невозможно получить волокна одинакового качества, чтобы изготовить прочную и качественную бумагу. «Поэтому быстрорастущие лиственные породы деревьев лучше всего подходят для выработки печатной бумаги, потому что в ней единообразные короткие волокна. Хвойные породы хороши для выработки высокопрочной оберточной бумаги (крафт-бумаги), а также для производства прочного материала», — поясняет Керс.
В наше время основная часть печатной бумаги делается из химической целлюлозы, которая производится из эвкалиптовой древесины. Соответствующие заводы находятся в Южной Америке и Азии.

Будущее за древесиной

„Древесина – это единственное восстанавливаемое природное ископаемое в Эстонии, которое мы можем использовать в строительстве, — говорит господин Керс. – Мы много рассказываем о том, что используем на заводе почти 100 процентов поступающей древесины, но это только сырье. Откуда берется энергия, используемая на производстве? Говоря об экологичном производстве, мы должны учитывать весь процесс, чтобы весь процесс был экологичным”.

Мы пришли к выводу, что уже многое сделано на благо окружающей среды. Древесина получает добавленную ценность и возможности для ее увеличения почти безграничны. Но в научной работе нельзя забывать о процессе в целом. Мы договариваемся с господином Керсом, что в ближайшее время поговорим с ним о придании древесине добавленной стоимости.

Лаборатория технологии обработки древесины

  • Входит в состав Института технологии материалов и окружающей среды Таллинского технического университета. Занимается опытами в области исследования качества мебели, развития использования древесины, древесных и других природных материалов (лен, конопляное волокно и др.), древесно-полимерных композитов.
  • • В лаборатории работает единственная в Эстонии линия по производству фанеры и лущения шпона, на которой можно при определенных условиях выпускать шпон и фанеру четко определенного качества при различных производственных параметрах и определять свойства полученного материала.

Крупный проектУченые Таллинского технического университета, Тартуского университета и Эстонского университета естественных наук работают в рамках совместного проекта по линии ETAg и RITA 1 “Повышение добавочной стоимости и более эффективное использование сырья в биоэкономике Эстонии и ее секторах”. Проект рассчитан на три года.

Направления развития научной работы

  • Воздействие характеристик обработки березового шпона на микроструктуру, поверхностные свойства, клееспособность, завершенность и прочностные свойства;
  • сопротивляемость во внешней среде ультра-фиолетовому излучению, влажности и температуре древесно-полимерных композитов, изготовленных на базе древесины и другого природного сырья;
  • исследование стойкости древесины во внешней среде;
  •  влияние трещин на гидротермические свойства многослойной клееной древесины.
Текст: Кристи Парро Фотографии: Scanpix, Кристи Парро, Valmos (EMPL)
rmk.ee, 31.02.2021 Материал опубликован в журнале RMK Metsamees

Похожие записи

Добавить комментарий