from 01.01.2021 until now
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology (Technologies of composite materials and wood science, Senior Laboratory Assistant)
from 01.01.2020 until now
Krasnoyarsk, Russian Federation
Russian Federation
In this work, the problem of selective coloring of wood was solved due to a controlled change in its penetrability. The formation of an artificial wood texture during impregnation is provided by the selective coloring which makes it possible to increase the decorative properties of birch wood. For this purpose, air purging of particular sections of wood was used to remove free moisture from them, exposure to a thermostat under certain conditions to form browning, and impregnation with a dye solution in an autoclave. During the study the optimal parameters of wood aging for uniform browning were established: temperature of 30 °C, 75 % of air humidity. During the browning process the gas permeability of birch wood decreased by 9 times compared to the control. Browning makes the wood impervious to the coloring solution. In the areas affected by purging, browning occurs without a significant decrease in penetrability. Purging ensures a complete coloring of the prepared areas. This opens up new possibilities for creating nature-like textures and expands the use of birch wood for the production of decorative products and finishing materials. The proposed technology is economically affordable, as it can be implemented on mass-produced equipment and does not require significant changes in the organization of woodworking industries.
wood, birch, permeability, browning, texture, deep staining
Введение
Древесина является возобновляемым природным материалом, широко используемым в различных отраслях промышленности во всем мире. Благодаря своим уникальным свойствам, древесина востребована в домостроении, производстве мебели и предметов интерьера. Помимо показателей удельной прочности, при использовании натуральной древесины большое внимание уделяется ее внешнему виду, формируемому за счет особенностей цвета и текстуры [1,2]. Древесина ценных пород обладает выразительной текстурой и привлекательным цветом. Как правило, такая древесина пользуется большим спросом в производстве продукции, для которой имеют большое значение эстетические характеристики. При этом запасы такой древесины крайне ограничены, что делает ее мало доступной для массового производства. Одним из вариантов решения данной проблемы является повышение декоративных свойств древесины широко распространенных малоценных лиственных пород.
К таким породам относится древесина берёзы, которая используется в основном при изготовлении лущеного шпона и мебельного щита. Древесина берёзы является заболонной породой, обладает светлым, желтоватым цветом со слабо выраженной текстурой [3,4]. Основные водопроводящие элементы − сосуды, равномерно распределены по ширине годичного слоя, поэтому при сквозной пропитке окрашивающими составами краситель распределяется относительно равномерно, что мало способствует повышению декоративных свойств древесины [5-7].
В настоящее время существует множество способов улучшения декоративных свойств древесины. К ним относится поверхностное и глубокое крашение древесины, избирательное окрашивание отдельных анатомических элементов древесины, комбинированная обработка поверхности с целью подчеркивания естественной текстуры древесины, метод лазерной перфорации и способ нанесения печати на поверхность древесины для имитации текстуры ценных пород [8-14].
Методы поверхностной обработки высокоэффективны, однако не всегда позволяют сохранить естественный вид окрашенного материала и не могут быть подвергнуты дальнейшей механической обработке. Метод глубокого окрашивания позволяет равномерно распределить окрашивающие вещества на всю длину заготовки, но текстура ограничивается зонами годичного слоя. Кроме того, этот метод подходит только для хорошо пропитываемых заболонных пород древесины. Большинство способов избирательного окрашивания древесины не получили практического распространения из-за сложности и трудоемкости процессов, а также ограниченных возможностей в части создаваемых текстур.
Известно, что во время хранения свежесрубленной древесины берёзы при положительных температурах формируется ненормальная окраска - побурение, которое проходит вдоль волокон древесины от торцов к центру сортимента. Побурение древесины берёзы является аналогичным раневой реакции процессом и считается пороком древесины. При этом процессе заболонь древесины берёзы приобретает ярко красновато-бурый и рыжевато-бурый цвет, который быстро бледнеет на воздухе. По литературным данным, появление в древесине берёзы побурения начинается летом при уменьшении влажности древесины ниже 79% и распространяется от торца к торцу со скоростью около 30 см в месяц. Первые признаки побурения древесины при благоприятных условиях появляются через 1-2 недели после рубки дерева.
Побурение берёзы исследовали такие ученые как Вакин А.Т., Федоров Н.И., Соловьев В.А. Их мнения о причинах побурения во многом схожи. Вакин А.Т. отмечает роль окислительных процессов при побурении древесины в результате насыщения ее кислородом. Федоров Н.И. и Соловьев В.А. рассматривают побурение как комплекс нескольких реакций. Они определяются внешними факторами, прежде всего температурой окружающей среды и влажностью древесины. Сначала закупориваются проводящие пути, что приводит к замедлению испарения влаги из древесины и преграждению доступа в нее воздуха – раневая реакция. Далее, по мере уменьшения влажности древесины происходит процесс отмирания живых клеток заболони и окисления их кислородом воздуха, за счет чего образуется бурая окраска. Далее в древесине поселяются грибы и бактерии, которые приводят к дальнейшему изменению ее цвета. С.Г. Елисеев и др. (2021) [15], A.P. Acosta (2024) [16] отмечают, что в процессе побурения резко снижается проницаемость древесины для газов и жидкостей. Такая древесина становиться почти непроницаемой. Причиной снижения проницаемости при побурении, по-видимому, является накопление в полостях клеток фибриллярного материала [17-20].
В работе В.Н. Ермолина[1] побурение древесины было предложено формировать искусственную текстуру в древесине за счет направленного изменения ее проницаемости на отдельных участках. Формирование участков с различной проницаемостью предлагалось обеспечивать за счет удаления свободной воды из сосудов на участках древесины планируемых к пропитке красителем. Проникающий в древесину кислород приводит к быстрой гибели живых паренхимных клеток древесины, и она сохраняет на этих участках свою проницаемость.
Предыдущие исследования показали принципиальную возможность использования побурения древесины для изменения ее проницаемости. Цель представленной работы - изучить процесс побурения древесины берёзы и разработать на его основе технологию управляемого избирательного окрашивания.
[1] Патент № 2773657 C1 Российская Федерация, МПК B27K 3/08. Способ локального окрашивания древесины : № 2021121274 : заявл. 16.07.2021 : опубл. 07.06.2022 / В. Н. Ермолин, С. Г. Елисеев, А. В. Намятов, Е. В. Митина. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=48772290
1. Coy Yu.I., Blinov A.K. Dekorativnye svoystva drevesiny. Tendencii razvitiya nauki i obrazovaniya. – 2021. – № 71-2. – S. 35-38. DOIhttps://doi.org/10.18411/lj-03-2021-46.
2. Sohackaya D.G., Stuzhuk D.O. Drevesina. Dekorativnye svoystva i vozmozhnosti primeneniya. Regio-nal'nye aspekty razvitiya nauki i obrazovaniya v oblasti arhitektury, stroitel'stva, zemleustroystva i ka-dastrov v nachale III tysyacheletiya : Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. – 2022. – S. 103-106. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48152615
3. Akinina E.V., Eliseev S.G., Ermolin V.N. Vliyanie osobennostey anatomicheskogo stroeniya drevesi-ny berezy na ee pronicaemost' dlya zhidkostey. Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotehnicheskoy akademii. – 2024. – № 248. – S. 274-290. DOI:https://doi.org/10.21266/2079-4304.2024.248.274-290
4. Ruffinatto F., Negro F., Crivellaro A. The macroscopic structure of wood. Forests, 2023; 14 (3): 644. DOI: https://doi.org/10.3390/f14030644
5. Dubois H., Verkasalo E., Claessens H. Potential of birch (Betula pendula Roth and B. pubescens Ehrh.) for forestry and forest-based industry sector within the changing climatic and socio-economic context of Western Europe. Forests, 2020; 11 (3): 336. DOI: https://doi.org/10.3390/f11030336
6. Snegireva S.N., Platonov A.D., Parinov D.A., Medvedev I.N., Kiseleva A.V. Povyshenie kachestva propitki drevesiny berezy razlichnymi sposobami. Lesotehnicheskiy zhurnal. – 2019. – T. 9. – S. 126-133. DOI:https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2019.4/14
7. Tomina E.V., Zhuzhukin K.V., Dmitrenkov A.I., Nguen An' T'en, Solov'eva A.A., Doroshenok A.V., Kor-chagina A.Yu., Novikova L.A. Issledovanie kachestva propitki i strukturnyh osobennostey drevesiny berezy metodom mikrorentgenovskoy komp'yuternoy tomografii. Lesotehnicheskiy zhurnal. – 2024. – T. 14. – № 4(56). – S. 172-186. DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2024.4/12
8. Eliseev S.G., Ermolin V.N., Duk D.V. Primenenie lazernoy perforacii dlya povysheniya dekorativ-nyh svoystv drevesiny pihty sibirskoy (Abies sibirica). Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. – 2023. – № 5 (395). – S. 151-163. DOI:https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-5-151-163
9. Islam M.N. et al. Multifaceted Laser Applications for Wood–A Review from Properties Analysis to Ad-vanced Products Manufacturing. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 2023; 10 (2): 225-250. DOI: https://doi.org/10.1007/s40516-023-00204-x
10. Lukash A.A. Formirovanie faktury s yarko vyrazhennoy teksturoy na poverhnosti drevesiny. Aktu-al'nye problemy lesnogo kompleksa. – 2020. – T. 58. – S. 183-187. URL : https://elibrary.ru/item.asp?id=44172930
11. Shet'ko S.V., Ignatovich L.V., Gayduk S.S., Chuykov A.S. Primenenie tehnologii pechati dlya imitacii tekstury cennyh porod drevesiny pri proizvodstve mebeli. Trudy BGTU. Seriya 1: Lesnoe hozyaystvo, priro-dopol'zovanie i pererabotka vozobnovlyaemyh resursov. – 2020. – № 2 (234). – S. 217-222. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=43937092
12. Sokolov V.L., Zvonareva P.P. Ispol'zovanie tehniki brashirovaniya drevesiny pri izgotovlenii mebeli i predmetov inter'era. Dizayn XXI veka : VI Vserossiyskaya zaochnaya nauchno-prakticheskaya internet-konferenciya s mezhdunarodnym uchastiem. – 2022. – S. 87-89. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=49725279
13. Coy Yu.I., Blinov A.K. Lessiruyuschaya otdelka dekorativnyh elementov iz drevesiny cvetnymi lakokrasochnymi materialami. Tendencii razvitiya nauki i obrazovaniya. – 2024. – № 106-9. – S. 240-243. DOI:https://doi.org/10.18411/trnio-02-2024-537.
14. Tarbeeva N.A., Rubleva O.A. Analiz processov dekorirovaniya i uprochneniya zagotovok iz nizkolik-vidnoy drevesiny dlya izgotovleniya otdelochnyh materialov. Obschestvo. Nauka. Innovacii (NPK-2021) : sbor-nik statey XXI Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii. – 2021. – S. 654-660. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=46158637
15. Eliseev S.G., Ermolin V.N., Namyatov A.V., Mitina E.V. Pronicaemost' drevesiny Betula pubescens i ee izmenenie. Aktual'nye problemy i perspektivy razvitiya lesopromyshlennogo kompleksa : Materialy IV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. – 2021. – S. 31-34. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46510395
16. Acosta A.P. et al. A review on wood permeability: influential factors and measurement technologies. Journal of the Indian Academy of Wood Science, 2024; 21 (1): 175-191. DOI: https://doi.org/10.1007/s13196-024-00335-4
17. Morris H. et al. Using the CODIT model to explain secondary metabolites of xylem in defence systems of temperate trees against decay fungi. Annals of Botany, 2020; 125 (5): 701-720. DOI: https://doi.org/10.1093/aob/mcz138
18. Romeiro D. et al. As anatomical features of the xylem could influence wound healing process in trees. Re-vista do Instituto Florestal, 2021; 33 (2): 119-138. DOI: https://doi.org/10.24278/2178-5031.202133201
19. Kashyap A. et al. Blocking intruders: inducible physico-chemical barriers against plant vascular wilt patho-gens. Journal of Experimental Botany, 2021; 72 (2): 184-198. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/eraa444
20. Słupianek A., Dolzblasz A., Sokołowska K. Xylem parenchyma role and relevance in wood functioning in trees. Plants, 2021; 10 (6): 1247. DOI: https://doi.org/10.3390/plants10061247
