W SGGW opracowano nowy sposób zwiększający twardość drewna

W Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie opracowano nową metodę zagęszczania drewna a w konsekwencji zwiększania twardości tego materiału. Może ona znaleźć zastosowanie w modyfikacji materiałów drzewnych wykorzystywanych zarówno w wyrobach budowlanych np. materiałach podłogowych, jak i elementach mebli, instrumentów muzycznych i  galanterii drzewnej.

Nowa metoda modyfikacji drewna, poprzez jego zagęszczenie, na skutek stopniowego prasowania, to oryginalny pomysł dr. inż. Marka Grześkiewicza z Katedry Technologii i Przedsiębiorczości w Przemyśle Drzewnym SGGW. Metoda początkowo była stosowana w odniesieniu do drewna bukowego. Później wraz ze współpracownikami z Wydziału, partnerami z otoczenia gospodarczego oraz ze studentami Wydziału, dr inż. Marek Grześkiewicz przeprowadzał wieloletnie eksperymenty, tak by lepiej poznawać właściwości nowych materiałów – drewna modyfikowanego, w różnych wariantach i zastosowaniach.

Opracowana przez dr. inż. Marka Grześkiewicza technologia wykorzystuje działanie podwyższonej temperatury na drewno, o wilgotności wyższej niż w wyrobie finalnym o kilka procent. Ogrzewanie drewna prowadzi do rozmiękczenia ligniny. Następnie elementy z drewna poddawane są stopniowemu, pulsacyjnemu prasowaniu, z zastosowaniem wysokich ciśnień, pomiędzy ogrzewanymi półkami prasy. W czasie procesu ulega obniżeniu wilgotność drewna. Cały proces w zależności od tego czy prasowane są cienkie materiały, typu forniry lub obłogi, czy też fryzy parkieciarskie, grube deski, trwa od kilkunastu minut do ponad godziny. Metodą tą można stosować zarówno do drewna naturalnego jaki i do drewna poddanego wcześniej różnym modyfikacjom np. modyfikacji chemicznej lub termicznej. 

Drewno twarde jak drewno egzotyczne wysokiej gęstości

Drewno, które poddano podgrzaniu i prasowaniu w temperaturach powyżej temperatur mięknienia ligniny (każdy rodzaj drewna ma swoją temperaturę mięknienia ligniny), ulega zagęszczeniu i zmienia się jego struktura. Co ważne, stopień zagęszczania można dowolnie regulować. Naturalną granicą sprasowania drewna tą metodą, jest uzyskanie gęstości drewna zbliżonej do gęstości substancji drzewnej. W takim przypadku uzyskuje się materiał bez porów, o bardzo wysokiej twardości i wiązkości (od zagęszczonego elementu drewna podczas jego obróbki trudno oderwać kawałek).

Metoda zagęszczania drewna powoduje zmniejszenie jego objętości. „Po zakończonym procesie uszlachetniony element może być nawet o 50% cieńszy w stosunku do swojej wyjściowej grubości, w przypadku drewna krajowych gatunków takich jak olcha, sosna, buk, dąb. Warto tu jednak zaznaczyć, że do uzyskania nowych, pożądanych właściwości drewna, w wyniku jego zagęszczenia, nie potrzeba aż tak ekstremalnego działania. Wystarczy zmniejszyć grubość elementu o 20 – 30%, by uzyskać zadowalające efekty, na przykład prawie dwukrotny wzrost twardości materiału” – mówi twórca metody, dr inż. Marek Grześkiewicz z Katedry Technologii i Przedsiębiorczości w Przemyśle Drzewnym SGGW.

Naukowiec podkreśla, że metodę można stosować zarówno do zagęszczania pojedynczych materiałów, takich jak obłogi, które można wykorzystać na warstwy wierzchnie płyt roboczych stołów lub warstwowych elementów podłogowych. Można zagęszczać łuszczkę wykorzystywaną w wytwarzaniu materiałów warstwowych typu sklejka (z krzyżowym układem włókien w sąsiadujących ze sobą warstwach), LVL (drewno warstwowe z fornirów z równoleglowłóknistym układem włókien w sąsiadujących warstwach). Można też zagęszczać elementy z drewna litego typu fryzy parkieciarskie, tak by potem otrzymać z nich deszczułki posadzkowe o zwiększonej twardości i nadające się do systemów ogrzewania podłogowego. Można zagęszczać deski, z których można następnie tworzyć elementy konstrukcyjne np. podciągi, o ulepszonych właściwościach mechanicznych. Z drewna zagęszczonego można wytwarzać meble o wysokiej odporności mechanicznej, przeznaczone do obiektów użyteczności publicznej.

Zagęszczone drewno to same korzyści

Zagęszczone drewno metodą, opracowaną przez dr. inż. Marka Grześkiewicza, wykazuje szereg właściwości, które mogą mieć kluczowe znaczenie dla firm z branży wykończenia wnętrz, budowlanej oraz producentów specjalistycznych narzędzi, galanterii drzewnej, a nawet wytwórców instrumentów muzycznych.

Główną zaletą zagęszczonego drewna jest wzrost jego twardości „Dwukrotnie wyższą twardość drewna dębowego i jesionowego potwierdziliśmy w przypadku, prasowania, które prowadzi do zmniejszenia  grubości elementów o 30%. Można zagęszczać drewno, które wcześniej poddano modyfikacji termicznej. Poprzez modyfikację termiczną drewna zmniejsza się wilgotność równoważną drewna i sprawia, że materiał ten mniej ‘pracuje’, czyli w mniejszym stopniu zmniejsza swoje wymiary przy zmianach wilgotności powietrza w pomieszczeniu, tak jak ma to miejsce w zwykłym drewnie. Ma to oczywiście istotne znaczenie w przypadku instalacji drewnianych podłóg  oraz innych elementów wykorzystywanych przy wykończaniu wnętrz” – dodaje dr inż. Marek Grześkiewicz.

Drewno zagęszczone jest bardziej odporne na działanie ognia i później ulega zapaleniu, jednak gdy już się zapali wydziela więcej ciepła.

Co ciekawe, zagęszczone drewno w porównaniu z drewnem naturalnym lepiej przewodzi ciepło. Dlatego elementy podłogowe z drewna modyfikowanego, parkiet, lite deski podłogowe mogą być wykorzystywane w pomieszczeniach, w których zainstalowano podłogowe ogrzewanie, poprawiając efektywność energetyczną.

Sprasowane, zagęszczone i utwardzone drewno ma w swojej objętości znacznie mniej porów, co oznacza, że do zabezpieczenia jego powierzchni np. poprzez lakierowanie, potrzeba zdecydowanie mniej materiału wykończeniowego. A w przypadku klejenia elementów potrzeba mniej kleju. Stosując wysokociśnieniową prasę zwyczajowo uzyskuje się wygładzoną powierzchnię uszlachetnionego elementu. Można jednak podczas prasowania wprowadzić na powierzchnię prasy dowolny wzór, nadając drewnu dodatkowe walory estetyczne.

Drewno topoli zyska na wartości?

Przeprowadzone na SGGW badania wykazały, że opracowana metoda modyfikacji drewna bardzo dobrze sprawdza się w przypadku odmian drewna o niskiej gęstości i o słabych parametrach technicznych. W Polsce takim drewnem jest m.in. topola, bardzo nisko ceniona nawet w kategorii drewna opałowego. Okazuje się, że drewno topoli, poddane metodzie zagęszczenia i utwardzenia uzyskuje ulepszone właściwości. Jeśli dodamy do tego fakt, że topole stosunkowo szybko rosną, może się okazać, iż gatunek ten będzie powszechniej wykorzystywany przez branżę przetwórstwa drzewnego. Wszystko jednak zależy od producentów – na ile będą oni zainteresowani nową technologią modyfikacji drewna i od dostępności tego materiału na rynku.

Na czym polega metoda zagęszczenia drewna? Kluczowa rola ligniny

Każde drewno jest kompozytem – składa się głównie z ligniny i celulozy. Gdy drewno się podgrzeje na sucho lub z udziałem wody, to w efekcie zawarta w nim lignina mięknie, co pozwala cały materiał łatwiej odkształcać, w tym oczywiście również poprzez sprasowanie. Poddanie materiału prasowaniu powoduje jego zagęszczenie. „Ogrzane drewno w swoich właściwościach fizycznych przypomina piankę poliuretanową – gdy zostaje odkształcone na przykład poprzez sprasowanie, po odłożeniu siły ściskającej, ma ono tendencję do powracania do swojego pierwotnego kształtu. Dzieje się tak, ponieważ zawarta w drewnie celuloza jest sprężysta i ma niejako pamięć kształtu. Lignina z kolei po podgrzaniu zachowuje się jak plastelina, która po odkształceniu pozostaje odkształcona. Gdy zatem poddamy drewno znacznym siłom, w naszym przypadku pulsacyjnemu ściskaniu w wysokiej temperaturze, ściśnięta lignina, szczególne w stanie bardziej lepkim, częściowo powstrzyma sprężystą celulozę, chcącą powrócić do swojego pierwotnego kształtu. W ten sposób uzyskujemy trwałe zagęszczenie drewna” – wyjaśnia dr inż. Marek Grześkiewicz.

Opracowana przez dr. Grześkiewicza metoda zagęszczania drewna została objęta ochroną patentową. Uczelnia obecnie poszukuje wśród producentów wyrobów z drewna partnerów, którzy zechcą wykorzystać walory modyfikowanego drewna w branży. Polska w skali Europy jest niekwestionowanym liderem pod względem skali produkcji wyrobów z drewna. Wejście na rynek poprzez rodzimych producentów wydaje się więc najwłaściwszą strategią. „Ufamy, że właściwości fizyczne, jakie wykazuje zagęszczone drewno, spotkają się z zainteresowaniem nie tylko producentów, ale przede wszystkim odbiorców, którzy stawiają na trwałość, estetykę i efektywność energetyczną” – powiedział Maciej Paszewski, Dyrektor Centrum Innowacji i Transferu Technologii przy SGGW w Warszawie.