from 01.01.2019 until now
Kirov (Kirovskaya oblast'), Kirov, Russian Federation
Russian Federation
Hardwood is traditionally used for the production of finishing materials. Its high cost due to scarcity is a key factor holding back demand for solid wood products. Replacing hardwood with low-value and low-liquid raw materials helps to reduce the cost of production. Thanks to the technologies of modifying low-value wood based on pressing and heat treatment, it is possible to improve its natural properties and expand the areas of use. The paper discusses a multistage method of strengthening decorative processing of blanks from low-value wood based on firing, brushing, pressing and heat treatment. The introduction of the method into industry is constrained by the lack of scientifically grounded recommendations for its application. The purpose of the work is to study the possibility of using this method for the manufacture of finishing materials and facing parts. Systematization of information on combined multistage methods of processing wooden blanks has made it possible to identify their significant industrial potential. The differential method of qualimetry substantiates the expediency of a combination of four technological operations: firing, brushing, pressing and heat treatment. Multi-stage processing contributes to a comprehensive increase in aesthetic, physical-mechanical and protective properties of the blanks. The optimal sequence of operations included in the method has been determined through comparative analysis. A prototype of the facing tile was made based on the method. The results of evaluating the operational properties and manufacturing technologies of this facing tile (in comparison with analogues) have confirmed the possibility of using the method of strengthening decorative processing for the manufacture of finishing materials.
multistage processing, wood pressing, brushing, firing, heat treatment, finishing materials
Введение
Разнообразие дизайна современных интерьеров, характеризующихся простотой форм, достигается за счет применения различных видов отделки. Среди широкого ассортимента отделочных материалов и покрытий, представленных на рынке, наиболее востребованы и традиционны материалы из древесины[8]. Их используют для облицовывания потолков, стен и перегородок, полов, лестниц, оконных и дверных проемов, различных архитектурных элементов. Сырьем для их изготовления служит высококачественная твердолиственная древесина, обладающая высокими физико-механическими и декоративными свойствами[5].Высокая стоимость твердолиственной древесины, обусловленная дефицитностью сырья, является негативным фактором, сдерживающим спрос на отделочные материалы и покрытия из массивной древесины.
С целью снижения стоимости продукции твердолиственную древесину заменяютмалоценным и низколиквидным сырьем. Но его невысокие физико-механические ихудожественно-декоративные свойстванакладывают ограничения на использование. Измельчениеи изготовление композиционных материалов– одно из основныхнаправлений переработкинизколиквидной древесины [15]. Технологии модифицирования древесины позволяют повышать свойства низкокачественногосырья и способствуют расширению областейего использования без измельчения.Прессование и термическая обработка древесины – наиболее перспективные направления улучшения физико-механических свойств [9-11]. Прессование позволяет повышать твердость, износостойкость, гигроскопичность и формоустойчивость древесины.Термическая обработка направлена на увеличение био- и атмосферостойкостидревесины.
Облагораживание внешнего видамалоценной,в том числе низкотоварной древесины, как и модифицирование, способствует ее более широкомуиспользованию.Для имитации текстуры ценных пород применяют браширование, в том числе браширование с обжигом [6].
Виды технологий, в которых операции обжига, браширования, прессования и термической обработки заготовок из древесины применяются независимо друг от друга, а также в некоторых сочетаниях (браширование с обжигом, пьезотермическая обработка) получили широкую практическую применимость: технология Yakisugi, Termowood, состаривание древесины, горячее тиснение др. [4,14].
Комбинирование способов модифицирования и облагораживания древесины в едином технологическом процессе может помочь в решении вопроса заменытвердолиственной древесины низкотоварным, низколиквидным сырьем для изготовления продукции с уникальными свойствами.
Авторами предложенмногоступенчатый способ упрочняющей декоративной обработки, защищенный патентом РФ [7].Суть способа заключается в объединении в единый технологический процесс операций обжига, браширования, прессования и термической обработки заготовок из древесины.
Заготовки из древесины хвойных пород обжигают огнем паяльной ламы или газовой горелки до образования равномерно обугленной растрескавшейся поверхности. После чего сгоревшие и менее плотные слои ранней древесины удаляют химико-механическим способом до образования контрастной рельефной поверхности. Далее холодным прессованием заготовки уплотняют, выравнивают полученный рельеф, обеспечивая тем самым повышение твердости и гигиеничности.На заключительном этапе упрочненные заготовки подвергают термической обработке, повышая тем самым их устойчивость к негативному воздействию окружающей среды.
Для внедрения данного способа в промышленность необходимо установить его целесообразность и практическуюприменимость. В связи с этим целью исследования является обоснование возможности применения многоступенчатого способа обработки заготовок из низкотоварной древесины для изготовления отделочных материалов и деталей облицовки.
Задачи исследования:
1) анализ и систематизация научно-технической информации по способам (технологическим процессам) обработки деревянных заготовок на основе операций обжига, браширования, прессования и термической обработки;
2) квалиметрическая оценка техпроцессов с целью установления целесообразности совокупности технологических операций;
3) сравнительный анализ вариантов последовательности операций многоступенчатой обработки;
4) сравнительный анализ преимуществ и недостатков отделочных покрытий, технологий их изготовления для оценки уровня качества разрабатываемой облицовочной плитки.
Материалы и методы
1. Анализтехнологий проводили на основе исходных данных, взятых из нормативно-технической документации, публикаций и научных трудов, патентов, а также практическихрекомендаций предыдущих исследователей касательно вопросов обработки древесины обжигом, брашированием, прессованием и термической обработкой [4‑6,9,10,11-14].
Систематизациювозможных вариантов технологических процессов выполняли по принципу наличия или отсутствия указанных технологических операций в них.
2. Целесообразность этапов обработки устанавливали на основе дифференциального метода, являющего одним из инструментов квалиметрической оценки [1]. Для этого сравнивалисвойства заготовок, обработанных согласно техпроцессам, отобранным по результатам систематизации.В оценке учитывали показатели назначения, подобранные на основании стандартов, ГОСТ 4.210-79, ГОСТ 4.207-79 [2,3], такие как твердость декоративной поверхности, водопоглощение, эстетичность и гигиеничность.
Показатели твердости и водопоглощения определялиэкспериментально на образцах из древесины сосны преимущественно тангенциального распила влажностью 7-20%. Режимы обработки заготовокназначали на основании анализа практических рекомендаций по обжигу и брашированию и теоретических аспектов прессования и термообработки древесины [9,10].
Эстетичность и гигиеничность оценивали экспертным методом.
Коэффициенты единичных показателей качестварассчитывали по формулам, представленным в работе [1].За базовые показатели принимали показатели заготовок из древесины сосны после фрезерования.
3. Методом сравнительного анализа определяли оптимальную последовательность технологических операций способа.По показателю технологичности оценивали варианты последовательностей: № 1 (обжиг → браширование → прессование → термообработка) и № 2 (браширование→ обжиг → прессование → термообработка). Дополнительно проводили оценку эстетичности внешнего вида образцов.
4. Методами сравнительного анализаи экспертнойоценкиэксплуатационных свойств и технологий изготовления отделочных материалов определяли возможность применения многоступенчатого способа для изготовления изделий внутренней отделки. Опытный образец облицовочной плитки сравнивали с аналогами – деревянной плиткойTarsi, Flitch, Finex, плиткой из МДФ, доской обшивочной профильной. В качестве критериевдля сравненияиспользовали показатели назначения, уровня исполнения, экономической эффективности.
Результаты и обсуждение
В результате анализа источников [4‑6, 9, 10, 14] установлено, что варианты технологических процессов, включающие отдельно взятые операции обжига, браширования, прессования и термической обработки нашли широкое применение в промышленности. Техпроцессы, основанные на объединении двух из указанных операций, используются значительно реже. Комбинирование большего числа операций в настоящее время не изучено и в промышленности не применяется. Благодаря систематизации возможных вариантов техпроцессов и их анализу получена информация о внедрении (возможности внедрения) технологий в промышленность и сферах использования получаемого продукта (табл. 1).Для дальнейшей квалиметрической оценки, проводимой с целью установления целесообразности совокупности операций обжига, браширования, прессования и термической обработки, выбраны технологические процессы № 1-7, 14-16, то есть техпроцессы, которые уже внедрены в промышленность, и техпроцессы, которые могут быть пригодны для изготовления высококачественных отделочных материалов из низкотоварной, низколиквидной древесины.
Таблица1
Варианты технологических процессов
|
№ техпроцесса |
Технологические операции (совокупность) |
Внедрение в промышленность |
Сфера использования продукта (возможная) |
Примечание |
|
1 |
– |
+ |
Строительные и отделочные материалы, мебели, ТНП |
– |
|
2 |
О |
+ |
Внешняя облицовка |
Японская технология Yakisugi [11] |
|
3 |
Б |
+ |
Внутренняя облицовка, детали мебели и декора, ТНП |
Состаривание древесины [7] |
|
4 |
П |
+ |
Детали машин, мебель, облицовка, конструкционные материалы, ТНП |
Прессование и гнутье древесины [10] |
|
5 |
Т |
+ |
Строительные материалы, внешняя облицовка |
Технология «Termowood» [17] |
|
6 |
О-Б |
+ |
Внутренняя облицовка, детали мебели и декора, ТНП |
Состаривание древесины [18] |
|
7 |
П-Т |
+ |
Мебель, облицовка, декор, строительные, конструкционные материалы |
Горячее тиснение [1] |
|
8 |
О-П |
– |
Внешняя облицовка и несущие конструкции (не установлено) |
Исследования отсутствуют |
|
9 |
О-Т |
– |
Внешняя облицовка |
Проведены поисковые эксперименты (собственные разработки) |
|
10 |
Б-Т |
– |
Внутренняя облицовка (не установлено) |
Исследования отсутствуют |
|
11 |
Б-П |
– |
Не установлено |
|
|
12 |
Б-П-Т |
– |
Не установлено |
|
|
13 |
О-П-Т |
– |
Внешняя облицовка (не установлено) |
|
|
14 |
О-Б-Т |
– |
Внутренняя отделка (не установлено) |
|
|
15 |
О-Б-П |
– |
Внутренняя облицовка, детали мебели и декора, ТНП |
Патент РФ№ 2704849 [7] |
|
16 |
О-Б-П-Т |
– |
Собственные исследования авторов, обоснование представлено в данной статье |
Источник: собственные разработки
Оставшиеся варианты техпроцессов (№ 8-13) исключены из оценки по причине отсутствия очевидных преимуществ для изготовления изделий декора и деталей внутренней отделки.
Результаты квалиметрической оценки, проведённой дифференциальным методом представлены в виде сравнительных диаграмм на рис.1. В их число вошли значения итогового показателя качества, единичных показателей твердости, гигиеничности, эстетичности и водопоглощения. Наиболее высокий уровень качества, равный 1,96, отмечен у заготовок, обработанных обжигом (техпроцесс № 2, табл. 1, рис. 1.). Обугленная поверхность заготовок обеспечивает прекрасные гидрофобные и защитные свойства, что необходимо для деталей и изделий, работающих в атмосферных условиях. Низкая гигиеничность поверхности препятствует использованию таких деталей и изделий для мебели и внутренней облицовки.
Низкий уровень качества, равный 0,77, установлен у заготовок, обработанных только брашированием (техпроцесс № 3, табл. 1, рис. 1.). Это обусловлено сниженными показателями твердости, гигиеничности и водопоглощения рельефной неконтрастной поверхности. Комбинирование технологических операций в техпроцессе способствует повышению уровня качества заготовок, о чем свидетельствует увеличение итогового коэффициента качества (техпроцессы № 6, 7, 14-16, табл. 1, рис. 1).
Достаточно высокий коэффициент качества зафиксирован у заготовок после четырехступенчатой обработки, включающей обжиг, браширование, прессование и термическую обработку, равный 1,24 (техпроцесс № 16, табл. 1, рис. 1.). Это свидетельствует о положительном влиянии упрочняющей декоративной обработки на физико-механические и эксплуатационные свойства заготовок из древесины. За счет обжига и браширования формируется контрастная рельефная поверхность, обеспечивающая повышенные эстетические свойства. Прессование и термообработка способствуют увеличению твердости и водостойкости заготовок. При выравнивании рельефа прессованием дополнительно отмечено повышение гигиеничности с минимальным снижением эстетичности. Таким образом, формируется уникальный комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств заготовок из низкотоварной древесины.
Несмотря на то, что квалиметрическая оценка выполнена дифференциальным методом без учета коэффициентов весомости, ее результаты достаточно хорошо иллюстрируют целесообразность объединения операций обжига, браширования, прессования и термической обработки заготовок из древесины в единый техпроцесс.
Технологический процесс, основанный на многоступенчатом способе упрочняющей декоративной обработки, может осуществляться в двух последовательностях: №1 (обжиг → браширование → прессование → термообработка), № 2 (браширование → обжиг → прессование → термообработка). Оба варианта обеспечивают достаточно схожий эффект – формирование упрочненной контрастной поверхности, соответствующей природной структуре древесины. Фактура декоративной поверхности заготовок после обработки представлена на рис. 2.
В случае, когда обжиг древесины является первой технологической операцией способа, полученная декоративная поверхность заготовок имеет более выраженную контрастность между слоями ранней и поздней древесины (рис. 2а), что делает внешний вид заготовок после обработки более выразительным. Поверхность заготовок после обработки, где обжиг проводят после браширования (последовательность № 2), выглядит монохромно, но не менее благородно. С точки зрения технологичности вариант последовательности № 1 наиболее приемлем, так как является менее трудоемким и энергозатратным. При варианте последовательности № 2 после операции обжига необходима повторная обработка декоративной поверхности нейлоновой щеткой с целью удаления сгоревших волокон. Это приводит к введению в технологический процесс дополнительных операций браширования и транспортирования заготовок. Удельная себестоимость продукции при этом увеличивается на 7-10 %.
Рис.1. Квалиметрическая оценка технологических процессов дифференциальным методом (собственные разработки)
Для установления возможности изготовления по данной технологии отделочных материалов проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков облицовочной плитки (рис. 3), изготовленной с применением способа упрочняющей декоративной обработки, и аналогичных видов продукции – доски обшивочной профильной, деревянной мозаики из массивной древесины Таrsi, Finex, Flitch и плитки из МДФ. Дополнительно оценивали преимущества и недостатки технологий их изготовления.
В качестве критериев для оценки продукта предложены следующие показатели: порода древесины, видимость текстуры, наличие рельефа, повышенная твердость, пожароопасность, экологичность, гигиеничность.
Технологии изготовления анализировали по критериям:
– необходимость специального оборудования, инструмента, оснастки;
– повышенная трудоемкость изготовления;
– возможность использования низкотоварной (низколиквидной) древесины;
– себестоимость изготовления изделий.
А Б
Рис. 2 Декоративная поверхность после многоступенчатой обработки: а – последовательность № 1, б – последовательность № 2 (собственные разработки)
Рис. 3. Опытный образец облицовочной плитки (собственные разработки)
Результаты анализа представлены в табл. 2 и 3. Цветом показана экспертная оценка эксплуатационных свойств продуктов и технологий их изготовления: зеленым отмечены явные преимущества, красным – недостатки; оранжевым – возможность вариации или нейтральная оценка.
Анализируя табл. 2, можно заключить, что разрабатываемая облицовочная плитка превосходит все наиболее близкие аналоги по каждому из рассмотренных показателей эксплуатационных свойств, кроме пожароопасности. Высокий класс пожароопасности КМ5 характерен для большинства видов продукции из древесины, в том числе отделочных материалов, поэтому в данном случае его нельзя считать критичным недостатком.
Анализируя табл. 3, необходимо отметить, что изготовление данной плитки достаточно трудоемко ввиду применения многоступенчатой обработки. Этот недостаток компенсируется возможностью использования в качестве сырья низкотоварной древесины (короткомерных отрезков и заготовок низкого качества), за счет чего обеспечивается относительно невысокая себестоимость изготовления.
Выводы
Многоступенчатые способы обработки заготовок из низкотоварной древесины на основе различных вариантов комбинирования операций обжига, браширования, прессования и термической обработки имеют значительный потенциал для внедрения в промышленность и производства высококачественной продукции – внутренней и внешней облицовки, деталей мебели и декора, товаров народного потребления.Результаты квалиметрической оценки уровня качества заготовок подтверждают целесообразность объединения операций. Способ упрочняющей декоративной обработки деревянных заготовок, объединяющий обжиг, браширование, прессование и термическую обработку,позволяет изготавливать продукцию суникальным комплексом эксплуатационных и физико-механических свойств: повышенной декоративностью, твердостью, износостойкостью, гигиеничностью, био- и атмосферостойкостью. Последовательность операций обжиг → браширование → прессование → термическая обработкаявляется оптимальным вариантомс точки зрения технологичности. Облицовочная плитка, изготовленная на основе данного способа, имеет ряд весомых преимуществ перед современными аналогами и может стать конкурентоспособным видом продукции на рынке отделочных материалов.
Таблица 2
Преимущества и недостатки эксплуатационных свойств отделочных покрытий
|
Критерии |
Отделочный материал |
|||||
|
Доска обшивочная профильная |
Деревянная мозаика Tarsi |
Деревянная плитка Finex |
Деревянная плитка Flitch |
Плитка из МДФ |
Облицовочная плитка |
|
|
Порода древесины |
Сосна, ель, лиственница кедр, дуб, осина, липа |
Дуб, клен, орех, тик, |
Дуб |
Сосна/кедр/ дуб («амбарные») |
– |
Ель, сосна |
|
Видимость текстуры древесины |
+ |
+ |
+ |
+ |
– |
+ |
|
Наличие рельефа |
– |
+/– |
– |
+/– |
+/– |
+ |
|
Повышенная твердость |
– |
+/– |
+/– |
+/– |
+ |
+ |
|
Класс пожароопасности |
(КМ5) |
КМ5) |
(КМ5) |
(КМ5) |
(КМ5) |
(КМ5) |
|
Экологичность |
+ |
+ |
+ |
+ |
– |
+ |
|
Гигиеничность |
+ |
+/– |
+ |
– |
– |
+ |
|
Итого: |
4 |
3,5 |
3,5 |
3 |
2,5 |
6 |
Источник: собственные разработки
Таблица 3
Преимущества и недостатки технологий изготовления отделочных покрытий
|
Критерии |
Отделочный материал |
|||||
|
Доска обшивочная профильная |
Деревянная мозаика Tarsi |
Деревянная плитка Finex |
Деревянная плитка Flitch |
Плитка из МДФ |
Облицовочная плитка |
|
|
Необходимость специального оборудования/ инструмента |
– |
– |
– |
– |
+ (матрица, пуансон) |
– |
|
Повышенная трудоемкость изготовления |
– |
– |
– |
– |
– |
+ |
|
Возможность использования низкотоварной (низколиквидной) древесины |
– |
– |
– |
– |
+ |
+ |
|
Себестоимость изготовления, руб/м2 |
от 300 |
от 3000 |
от 5000 |
от 2000 |
от 6000 |
от 1500 |
|
Итого: |
3 |
2 |
2 |
2,5 |
2 |
2,5 |
Источник: собственные разработки
1. Astratova, G.V. Kvalimetriya: metody kolichestvennogo ocenivaniya kachestva razlichnyh ob'ektov (kurs lekciy i prakticheskih zanyatiy) : ucheb. posobie / G.V. Astratova ; GOU VPO HMAO - Yugry «Surgut. gos. ped. un-t». - Surgut : RIO SurGPU, 2014. - 160 s. - ISBN 978-5-93190-321-7.
2. GOST 4.207-79. Sistema pokazateley kachestva produkcii. Stroitel'stvo. Plity drevesnovoloknistye. Nomenklatura pokazateley : izdanie oficial'noe : data vvedeniya 1980.01.01. - Moskva : IPK izdatel'stvo standartov, 2003. - 7 s.
3. GOST 4.210-79. Sistema pokazateley kachestva produkcii. Stroitel'stvo. Materialy keramicheskie otdelochnye i oblicovochnye. Nomenklatura pokazateley : izdanie oficial'noe : data vvedeniya 1980.06.30. - Moskva : IPK izdatel'stvo standartov, 2003. - 4 s.
4. Dekorirovanie elementov mebeli i stolyarno-stroitel'nyh izdeliy metodom tisneniya tekstury drevesiny i imitaciey rez'by / A.A. Bartashevich, L.V. Ignatovich, S.V. Shet'ko, S.S. Gayduk // Trudy BGTU. Seriya 1: Lesnoe hozyaystvo, prirodopol'zovanie i pererabotka vozobnovlyaemyh resursov. - 2018. - №. 2 (210). - S. 197-203.
5. Lihacheva, L.B. Pressovanie drevesiny vdol' volokon pri izgotovlenii torcovogo schitovogo parketa : special'nost' 05.21.05 «Drevesinovedenie, tehnologiya i oborudovanie derevoobrabotki» : avtoref. dis. ... kand tehn. nauk / Lihacheva Lyudmila Borisovna ; Voronezh. gos. lesotehn. akad. - Voronezh, 2001. - 16 s.
6. Orlova, Yu.D. Otdelka izdeliy iz drevesiny / Yu. D. Orlova ; M. : Vysshaya shkola, 1968. - 276 s.
7. Patent № 2704849 Rossiyskaya Federaciya, MPK B27M1/08. Sposob uprochnyayuschey dekorativnoy obrabotki izdeliy iz drevesiny : № 2018122586 : zayavl. 20.08.2018 ; opubl. 31.10.2019 / O.A. Rubleva, N.A. Tarbeeva ; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VO «VyatGU». - 6 s.
8. Uilhayd, E. Otdelochnye materialy. Spravochnik materialov dlya otdelki inter'erov / E. Uilhayd - Kladez', 2009. - 256 s. - ISBN: 978-5-9339-5332-6.
9. Huhryanskiy, P. N. Pressovanie drevesiny : 2-e izd., ispr. i dop. / P. N. Huhryanskiy. - Moskva: Lesnaya promyshlennost', 1964 - 361 s.
10. Esteves, B. Wood modification by heat treatment: A review / B. Esteves, H. Pereira // BioResources. - 2008. -T. 4. - №. 1. -S. 370-404.
11. Korkut, S. Evaluation of physical and mechanical properties of wild cherry wood heat-treated using the thermowood process / S. Korkut, A. Aytin // Maderas: Ciencia y Tecnologia. - 2015. - T.17. - №. 1. -S. 171-178. - DOI 10.4067 / S0718-221X2015005000017.
12. Properties of solid wood and laminated wood lumber manufactured by cold pressing and heat treatment / J. H. Kwon, T. N. Han, R.H. Shin, N. Ayrilmis // Materials and design. - 2014. - T.62. - S.375-381. - DOI 10/1016/j.matdes.2014.05.032.
13. Sandberg, D. Wood modification technologies-a review / D. Sandberg, A. Kutnar, G. Mantanis // iForest-Biogeosciences and Forestry. - 2017. - T. 10. - №. 6. - S. 895-908. - DOIhttps://doi.org/10.3832/ifor2380-01.
14. Shi, J. L. Mechanical behavior of Quebec wood species heat-treated using ThermoWood process / J. L. Shi, D. Kocaefe, J. Zhang // Holz als Roh-und Werkstoff. - 2007. - №. 65(4). - S. 255-259. - DOIhttps://doi.org/10.1007/s00107-007-0173 9.
15. The usage of wood wastes in the manufacture of composite materials / N. R. Galyavetdinov, R. R. Khasanshin, R. R. Safin, E. Y. Razumov // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management SGEM 15th. - Sofia, 2015. - S. 779-786.
