Небиоцидная модификация древесины

Защита древесины раньше означала сделать её ядовитой. Современные альтернативы работают с другой переменной, и понимание механизма гниения объясняет, почему эта переменная верная.

Гниение ограничено водой, а не доступом гриба

Дереворазрушающим грибам нужна жидкая вода. Ниже примерно 20 процентов влажности гниения по существу нет; оно становится деятельным выше предела насыщения клеточной стенки, около 30 процентов, когда стенки насыщены и свободная вода начинает занимать полости клеток.

Вот узловая точка. Управляющая переменная — влажность, и материал, не способный дойти до порога, гнить не может независимо от того, какие организмы присутствуют.

Древесина набирает воду потому, что её полисахариды покрыты гидроксильными группами, водородными связями втягивающими воду в клеточную стенку. Наиболее гигроскопичны гемицеллюлозы, следом идут аморфные области целлюлозы, менее всего — лигнин. Сорбированная вода к тому же набухает стенку, а это тот же механизм, что стоит за нестабильностью размеров: подвижкой, короблением и растрескиванием, из-за которых необработанная древесина трудна снаружи.

Как бурая гниль обходит ограничение по размеру

Грибы бурой гнили разрушают целлюлозу и гемицеллюлозу и оставляют лигнин, давая тот крошащийся бурый остаток, который и назван в её имени. Механизм стоит знать, поскольку это изящное решение физического ограничения.

Целлюлолитические ферменты слишком велики, чтобы проникнуть в целую одревесневшую клеточную стенку. Поры здоровой стенки меньше фермента. Поэтому ранняя атака бурой гнили не ферментативна: гриб пускает в ход химию Фентона, выделяя вещества, восстанавливающие железо, и перекись водорода, так что Fe(II) и H₂O₂ реагируют с образованием гидроксильного радикала — крайне активного неизбирательного окислителя, представляющего собой малую молекулу.

Будучи малым, он диффундирует в клеточную стенку, куда ферментам хода нет, и деполимеризует полисахариды там. Лишь после такого разрыхления могут подействовать ферменты. Это та же задача доступа, что и в биоразложении полимеров, но решённая с противоположной стороны: вместо того чтобы ждать у поверхности, организм засылает внутрь реагент, достаточно малый, чтобы войти.

Три способа снизить равновесную влажность

Ацетилирование обрабатывает древесину уксусным ангидридом, превращая доступные гидроксилы в ацетильные эфиры. Следуют сразу два эффекта: гидроксилов, связывающих воду, становится меньше, а более объёмистые ацетильные группы занимают место в клеточной стенке, удерживая её в постоянно набухшем состоянии, так что вобрать намного больше она уже не может. Равновесная влажность существенно падает — достаточно, чтобы при обычной наружной эксплуатации оставаться ниже порога гниения.

Это не биоцид. Никакого ядовитого вещества не добавляют; древесину изменяют химически так, что условия, нужные для гниения, не наступают. Побочным продуктом является уксусная кислота, а остаточный уксусный запах — практическое неудобство.

Фурфурилирование пропитывает древесину фурфуриловым спиртом, получаемым из пентозных сахаров сельскохозяйственных остатков вроде багассы и кукурузных кочерыжек, и полимеризует его на месте. Полимер заполняет клеточную стенку, снижает влагопоглощение и повышает твёрдость. Сырьё здесь по-настоящему представляет собой поток отходов, что для этой области необычно.

Термомодификация нагревает древесину примерно до 180–230 °C в среде с малым содержанием кислорода, преимущественно разрушая гемицеллюлозы — самую гигроскопичную фракцию и предпочтительный субстрат для грибов. Равновесная влажность и набухание падают оба.

Плату за это надо назвать честно: та же деструкция снижает прочность, особенно ударную вязкость и прочность на изгиб, поэтому термомодифицированную древесину применяют в облицовке и террасной доске, а не в несущих элементах. Каждый из этих методов покупает долговечность ценой отданного свойства: ацетилирование — ценой стоимости и сложности процесса, фурфурилирование — массы и потемнения, термомодификация — прочности.