ترمووود (ThermoWood) یا چوب ترمو (چوب اصلاح شده حرارتی)

ترمووود چیست؟

چوب به‌طور طبیعی، ماده ای زیست فروپاش و از نظر ابعادی، ناپایدار است. این خصیصه‌های ذاتی، مشکلاتی چون پوسیدگی و تاب برداشتن را برای طراحان و معماران به همراه می‌آورد. یک راه‌حل خلاقانه، پروسه‌ای اضافی است که اصلاح حرارتی نامیده می‌شود. محصول نهایی این پروسه چوب اصلاح شده با حرارات یا به اصطلاح ترمووود (Thermally modified wood) است ;، ترمووود الوار چوبی مناسب برای کاربردهای مختلف هستند؛ قطعاتی که در حالت عادی قابلیت کاربرد در محیط‌های بیرونی را نداشتند.
ما در این مطلب به تاریخچه، بررسی تخصصی ترمووود و نیز توضیح روش تیمار حرارتی ترمووود می‌پردازیم.

تاریخچه ترمووود و اصلاح حرارتی

زمان زیادی نیست که روش اصلاح حرارتی چوب و تولید ترمووود یا چوب ترمو در آمریکا مورد استفاده قرار می‌گیرد اما سابقه این شیوه در اروپا به اوایل دهه ۱۹۹۰ برمی‌گردد. شیوه ای که با همکاری مدیران صنعتی و VTT، مرکز تحقیقات فنی فنلاند، با هدف افزایش کارایی منابع بزرگ اسکاندیناوی، بهبود یافت.

اصلاح حرارتی چیست؟

اصلاح حرارتی با استفاده از گرما و بخار، تغییراتی اساسی در خواص چوب ایجاد می‌کند و آن را به یک ماده آب‌گریز و نفوذناپذیر تبدیل می‌کند؛ بنابراین ابعاد چوب تغییر نخواهد کرد و در اثر رطوبت تاب برنمی‌دارد. همچنین تیمار حرارتی با تبدیل شکرهای طبیعی درون چوب به منابع غیرغذایی، مانع پوسیدگی و تغییر رنگ آن شده که این نیز به حفظ زیبایی چوب می‌انجامد.
چوب را در حالت عادی نمی‌توان در محیط‌های خیس و بیرونی استفاده کرد اما از آنجایی‌که چوب اصلاح ‌شده با حرارت یا چوب ترمو، نه رطوبت را جذب می‌کند و نه آن را درون خود حفظ می‌کند؛ برای کاربردهای مختلفی چون نماهای بیرونی، ساخت عرشه و ایوان و کف‌پوش مناسب است.

مراحل انجام تیمار حرارتی ترمووود یا چوب ترمو

یک پروسه سه مرحله‌ای در کوره و فقط با استفاده از گرما و آب، اصلاح حرارتی را به عنوان طبیعی‌ترین راه‌حل و فاقد مواد شیمیایی برای افزایش طول عمر چوب، معرفی کرده است که چرخه کامل آن ۲۴ تا ۷۲ ساعت زمان می‌برد.

مرحله اول: افزایش دما

در مرحله اول، دمای کوره را به سرعت تا ۲۱۲ درجه فارنهایت افزایش می‌دهند که روی ترکیبات طبیعی چوب اثر می‌گذارد که با استفاده از بخار، مانع از ترک برداشتن چوب در دماهای بالا می‌شوند. رطوبت موجود در چوب، از ۱۵-۲۰ درصد تا حدود صفر کاهش می‌یابد.

مرحله دوم: اصلاح حرارتی

در این فاز، دما را تا حدود ۴۱۵ درجه فارنهایت بالاتر می‌برند تا به رنگ دلخواه دست یابند. نتیجه آن یک چوب یکدست تیره و زیباست. در واقع در این مرحله، ظاهر چوب‌های معمولی بومی مانند چوب‌های وادراتی مطلوب می‌شود. بخار نیز مانع سوختن چوب در دماهای بالا می‌شود.
تغییر اسیدها و شکرهای طبیعی درون چوب در اثر دما، ایجاد تغییر در ساختار فیزیکی چوب را به همراه می‌آورد. کاهش قدرت جذب رطوبت در چوب منجر به کاهش فاسد شدن و پوسیدگی می‌شود. با کاهش میزان رطوبت موجود در چوب، میزان بادکردگی و کاهش ابعاد آن در اثر رطوبت نسبت به چوب معمولی تا ۶۰ درصد کاهش می‌یابد.

مرحله سوم: خنک‌سازی و بازسازی

دما را با اسپری کردن آب روی چوب و خنک‌سازی، کاهش می‌دهند و با مرمت دوباره آن، به چوب حدود ۴ تا ۶ درصد رطوبت می‌بخشند.

مرحله نهایی: برش دادن

در نهایت کارگران محلی، چوب‌های اصلاح شده با حرارت یا ترمووود را برای کاربردهای متنوع برش می‌دهند.

بررسی تخصصی ترمووود یا چوب اصلاح شده حرارتی (چوب ترمو)

تمام خواص ذکر شده برای ترمووود متکی بر نتایج حاصل از آزمایش‌های مختلفی است که طی یک دوره چندساله توسط محققان گروه VTT از دانشگاه صنعتی هلسینکی (Helsinki) و دانشگاه هلسینکی فنلاند انجام شد. طی سال‌های ۱۹۹۸ تا ۲۰۰۱، مقالات زیادی در مورد تغییرات شیمیایی چوب ناشی از تیمار حرارتی یا همان ترمووود ، تحت عنوان مکانیسم واکنش چوب اصلاح شده یا ترمووود، منتشر شده است. همچنین، عنوان تز دکتری ریستو کتالین (Risto Kotalianen) از دانشگاه جیسواسکیلا (Jyvaskyla) نیز تغییرات شیمیایی چوب طی دماهای ۱۵۰ تا ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد بود.
درک تغییرات فیزیکی و شیمیایی ناشی از پروسه افزایش دما، نیازمند داشتن اطلاعاتی پایه‌ای در مورد ترکیب شیمیایی، ساختار و ویژگی‌های فیزیکی چوب است.
ترکیبات اصلی چوب (سلولز، همی سلولزها و لیگنین) تحت گرما کاهش می‌یابند. البته پروسه کاهش سلولز و لیگنین آرام‌تر است و نسبت به همی سلولز در دماهای بالاتری کاهش می‌یابند. عصاره های مختلف درون چوب، راحت‌تر کاهش می یابند و در اثر گرما تبخیر می‌شوند.

کربوهیدرات‌ها
سلولز و همی سلولزها، کربوهیدرات‌های موجود در چوب به شمار می‌آیند. سلولز ۴۰ تا ۵۰ درصد و همی سلولزها ۲۵ تا ۳۵ درصد از چوب را تشکیل می‌دهند. سلولز زنجیره ای طولانی (DP 5000-10000) از واحدهای گلوکز است اما همی سلولزها زنجیره‌هایی کوتاه‌تر (DP 150-200) از منوساکاریدهای مختلف می‌باشند. ترکیب همی سلولزها به نوع چوب بستگی دارد. با افزایش دما، هر دو گروه متحمل یک سری تغییر می‌شوند اما در این میان، سهم همی سلولزها بیشتر است.
واحدهای سلولز دارای پیوند گلیکوساید هستند. زنجیره‌های سلولز نیز با برقراری پیوند بین گروه‌های هیدروکسیل به یکدیگر وصل می‌شوند. در دماهای کمتر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد، پلیمریزاسیون ذرات سلولز کاهش یافته، آب حذف می‌شود؛ رادیکال‌های آزاد، کربونیل، کربوکسیل و گروه‌های هیدروپراکسید و به همان اندازه مونواکسیدکربن، دی اکسیدکربن و زغال واکنشی چوب تولید می‌شوند. ترکیبات همی سلولزها شامل دی گلوکز، دی مانوز، دی گالاکتوز، دی زینول،L پنتوز و مقدار کمی L رامنوز، اسید گالاکرونیک دی متیل و اسید گالکرونیک می‌باشند. با گرم شدن چوب در اثر عمل هیدرولیز، از همی سلولز استیل، اسیداستیک تولید می‌شود که این اسیدها نقش کاتالیزگر را برای واکنش قند خواهند داشت و از طرفی دیگر منجر به شکستن زنجیره سلولزها و کوتاه کردن آن‌ها می‌شود.
بعد از تیمار حرارتی، مقدار کمتری همی سلولز در چوب وجود خواهد داشت. در نتیجه، مقدار قارچ‌های مستعد آسیب نیز کاهش می‌یابد و این خود باعث افزایش مقاومت چوب اصلاح شده یا ترمووود در برابر پوسیدگی‌های قارچی است. همچنین به کاهش قدرت جذب آب گروه‌های هیدروکسیل نیز می‌انجامد که افزایش پایداری ابعادی چوب اصلاح شده را در پی دارد. این تغییرات برای همی سلولزها در دماهای ۲۰۰ تا ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد و برای سلولز در ۲۴۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد. کاهش همی سلولز در چوب‌های نرم راحت‌تر از چوب‌های سخت است زیرا میزان آن در گونه‌های نرم بیشتر می‌باشد. البته شکسته شدن زنجیره همی سلولزها از استقامت چوب نمی‌کاهد؛ در عوض، افزایش مقاومت در برابر فشارها، کاهش تنش و افزایش انعطاف‌پذیری از نتایج آن هستند.
لیگنین
لیگنین، سلول‌های چوب را کنار یکدیگر نگه می‌دارد. مواد تیره تخته چوبی، لیگنین هستند که معمولاً در لایه‌های اول و دوم چوب یافت می‌شود. این ماده به ترتیب ۲۵-۳۰ و ۲۰-۲۵ درصد از چوب‌های نرم و سخت را تشکیل می‌دهد. ترکیب شیمیایی دقیق ساختار لیگنین هنوز کاملاً تعیین نشده اما به عنوان عامل اصلی پوسیدگی شناخته شده‌اند. لیگنین از واحدهای فنیل پروپان تشکیل شده که دارای پیوند کربن-کربن هستند. گونه‌های نرم چوب از واحدهای گوایکول و نوع سخت از مقادیر مساوی گوایکول و سرینگلی تشکیل شده‌اند. هر دو آن‌ها دارای یک مقدار جزئی پی هیدروکسیل هستند. در اثر گرما، پیوند بین فنیل-پروپان‌ها شکسته می‌شود. البته پیوند بین سرین گلی‌ها راحت‌تر از گوایکول ها شکسته می‌شود. واکنش‌های شیمیایی ناشی از حرارت در زنجیره‌های الیلک ساید نسبت به آریل الکیل شایع‌تر است. گروه‌های بی کتون و گروه‌های دوگانه اسیدکربوکسیل فرآورده‌های این واکنش هستند.
مقاومت گرمایی لیگنین در بین ترکیبات چوب بیشتر از همه است. جرم لیگنین در دماهای بیش از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، کاهش می‌یابد؛ یعنی زمانی که شکسته شدن پیوندهای بی آریل شروع می‌شود. در دماهای بالا، محتوای متروکسی آن کاهش یافته و همچنین مقداری از واحدهای متراکم لیگنین به واحدهای دی فنیل متان گونه تبدیل می‌شوند؛ گونه‌هایی که در محدوده دمایی ۱۲۰ تا ۲۲۰ درجه سانتی‌گراد واکنش می‌دهند. این واکنش‌ها تأثیر بسزایی روی رنگ، واکنش‌پذیری و فروپاشی چوب اصلاح شده گرمایی دارند.
عصاره‌ها
مقدار کمی مولکول‌های کوچک درون چوب یافت می‌شوند. عصاره‌ها کمتر از ۵ درصد از چوب را تشکیل می‌دهند. این گروه شامل ترپن ها، چربی‌ها، موم‌ها و فنل ها هستند و در مجموع انواع مختلفی دارند. این عصاره‌ها از ترکیبات ساختاری چوب محسوب نمی‌شوند و به آسانی تبخیر می‌شوند.
مواد سمی
در سال ۱۹۹۸، اثر گرما روی میزان تغییر مواد سمی درون چوب صنوبر، طی پروژه CTBA آزمایش شد. آن‌ها نمونه را با آب مخلوط کرده و تحت آزمایش قرار دادند و در پایان متوجه شدند که در اثر افزایش دما، مواد سمی درون چوب از بین رفته است.
چگالی
چگالی براساس وزن و ابعاد نمونه تعیین می‌شود. چگالی چوب اصلاح شده حرارتی ( ترمووود ) کمتر از چوب اصلاح نشده است. اصلی‌ترین علت این تفاوت، کم شدن وزن چوب در حین گرم شدن می‌باشد. کاهش چگالی در دماهای بالا رخ می‌دهد. به هرحال، بخاطر انحرافات طبیعی چگالی چوب، میزان انحراف بالا اما ضریب تعیین پایین است.
استحکام
قدرت و استحکام چوب همبستگی تنگاتنگی با چگالی آن دارد. چگالی چوب بعد از تیمار حرارتی، اندکی کاهش می‌یابد. به هرحال، نسبت وزن به قدرت، تقریباً ثابت می‌ماند. همچنین استحکام چوب، به میزان رطوبت نسبت به آب موجود در لایه‌های زیرین آن وابسته است. تیمار حرارتی به خاطر کاهش میزان رطوبت میانگین، می‌تواند مفید واقع شود. استحکام چوب در دماهای بیشتر از ۲۲۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد.
میزان رطوبت میانگین
تیمار حرارتی به کاهش میزان رطوبت میانگین چوب می‌انجامد و مقدار آن در دما ۲۲۰ درجه سانتی‌گراد نسبت به چوب اصلاح نشده، نصف می‌شود. هرچه رطوبت چوب بالاتر باشد؛ میزان این تغییر نیز بیشتر خواهد بود.
باد کردن و آب رفتگی ناشی از رطوبت
اصلاح حرارتی تأثیر بسزایی روی کاهش آماس سطحی و درونی چوب دارد. اثر تیمار حرارتی در جلوگیری از تورم و آب رفتگی چوب با انجام آزمایش بادکش روی محصول نهایی نشان داده شده است و آزمایشات VTT این موضوع را می توان برای چوب‌های اصلاح شده ( ترمووود ) چه با یک لایه پوشش محافظ و چه بدون آن، اثبات کرد. برخلاف الوارهای معمولی، ترمووود متحمل تنش‌های ناشی از خشک‌شدگی نمی‌شوند؛ که این برای کارخانه‌های چوب‌بری و نجاری‌ها یک مزیت محسوب می‌شود.
نفوذپذیری
CTBA، تراوایی آب چوب اصلاح شده حرارتی را آزمایش کرد. آن‌ها چوب را درون آبی که مواد معدنی‌اش زدوده شده‌؛ فرو کردند و بعد آن را به مدت ۹ روز در فضا یک اتاق با رطوبت ۶۵ درصد و دما ۲۰ درجه سانتی‌گراد قرار دادند. در پایان متوجه شدند که نفوذپذیری چوب اصلاح شده نسبت به چوب‌های خشک شده معمولی، ۲۰ تا ۳۰ درصد کمتر است.
دوام بیولوژیکی
VTT برای تعیین دوام بیولوژیکی الوار اصلاح شده ترمووود ، سه آزمایش مختلف انجام داد. در آزمایش قارچ‌ها، دو تا از مشکل‌سازترین و شایع‌ترین نوع از قارچ‌ها یعنی Coniophora Puteana و Poria Placentia را در نظر گرفتند. نتایج آزمایش حاکی از مقاومت چوب در برابر پوسیدگی ناشی از بیماری‌های قارچی بود. البته این مقاومت در برابر Poria Placentia در دماهای بالاتری نسبت به Coniaphora Puteana به دست آمد. همچنین طبق آزمایش دیگری مشخص شد که برای رسیدن به یک مقاومت خارق‌العاده، چوب باید به مدت ۳ ساعت تحت دما ۲۲۰ درجه سانتی‌گراد قرار بگیرد و برای دستیابی به مقاومتی معمولی دما ۲۱۰ درجه سانتی‌گراد کافی است. براساس تحقیقات انجام شده، چوب اصلاح شده حرارتی را نباید در سطوح خیلی زیر استفاده کرد؛ البته نه بخاطر موجودات میکروارگانیسم بلکه این ناشی از کاهش رطوبت می‌باشد.
مقاومت در برابر حشرات
آزمایش‌های انجام شده توسط CTBA در فرانسه نشان داد که حشرات نوع Longhorn در چوب‌های نوع نرم یافت می‌شوند. گونه‌های Anobium Punctatum در شرایط خاصی به چوب‌های سخت حمله می‌کنند. Lyctus Bruneus در بعضی از چوب‌های سخت پیدا می‌شوند. آزمایش‌ها نشان داد که چوب اصلاح شده حرارتی در مقابل هر سه نوع حشره ذکر شده، مقاوم است. محققان دانشگاه Kuopio اثبات کردند؛ تیمار حرارتی، مقاومتی فوق‌العاده در برابر حشرات Longhborn به چوب می‌دهد و علت آن را کاهش هیدروکربن‌های ترپن در اثر حرارت، بیان کردند. پدیده دیگری که در این زمینه مشاهده شده، حمله موریانه‌ها است که به تحقیقات بیشتری نیاز دارد.
خطر حمله موریانه‌ها بیشتر در نیمکره جنوبی زمین اتفاق می‌افتد اما مواردی در مورد شایعه این مشکل در فرانسه و کشورهای شمالی اروپا نیز گزارش شده است. حمله موریانه‌ها از زیر ساختمان یعنی جایی که خورشید مستقیم نمی‌تابد؛ رخ می‌دهد. موریانه هم برای چوب و هم بتن، خطر محسوب می‌شود. راه‌حل‌های متفاوتی چون استفاده از یک لایه پلی‌اتیلن یا رنگ‌های بیوتمن در زیرا ساختمان، ارائه شده است. تا کنون، نتایج آزمایشات، تأثیر اصلاح حرارتی روی مقاومت در برابر موریانه را نشان نداده‌اند. اما تعدادی از آزمایش‌های منطقه‌ای از این موضوع خبر می‌دهند زیرا نوع موریانه‌ها به محیط بستگی دارد. به هرحال، حمله موریانه‌ها به تحقیق بیشتری نیازمند است.
مقاومت در برابر آب‌وهوا
باران
آزمایش‌های مختلفی برای مطالعه عملکرد چوب اصلاح شده حرارتی یا همان ترمووود در برابر شرایط طبیعی آب‌وهوا، انجام شده است. موادی که به مدت ۶ ساعت تحت دما ۲۲۵ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرند؛ تقریباً نیمی از رطوبت خود نسبت به حالت عادی را از دست می‌دهند؛ این تغییرات حتی بعد از ۵ سال نیز که چوب در هوای آزاد قرار بگیرد؛ پابرجا می‌ماند. ابعاد سطح چوب در اثر فعالیت باکتری‌ها و ذرات کثیف موجود در آب باران، افزایش می‌یابد. همچنین امکان رشد قارچ در سطوح اصلاح نشده وجود دارد. برای رفع این مشکل باید به پاک و اسکراب کردن سطح چوب بپردازیم.
تابش خورشید
آزمایش‌های متعددی جهت بررسی مقاومت ترمووود در برابر تابش فرابنفش انجام شده است. متأسفانه، چوب اصلاح شده نیز مانند دیگر مواد طبیعی، توانایی مقاومت در برابر اشعه فرابنفش را ندارد. بنابراین در اثر تابش مستقیم نور خورشید، رنگ قهوه‌ای چوب، خاکستری می‌شود. رنگ یا محافظ‌های اشعه فرابنفش به حفظ رنگ اصلی چوب کمک می‌کنند. اگرچه تیمار حرارتی به کاهش رطوبت، بادکردگی و تغییر ابعاد ناشی از رطوبت می‌انجامد اما ابعاد چوب بدون پوشش محافظ در برابر اشعه فرابنفش، کوچک می‌شود. به هرحال، تیمار حرارتی اکیداً توصیه می‌شود.
مقاومت چوب ترمووود در برابر آب‌وهوا
آزمایش‌های گوناگونی روی ترمووود که به مدت ۵ سال در معرض هوای آزاد بودند؛ انجام شد تا به تفاوت‌های آن‌ها نسبت به چوب‌های طبیعی پی ببرند. همان‌طور که قبلاً هم گفتیم؛ رطوبت موجود در این الوارها نصف رطوبت موجود در چوب‌های معمولی است. لاک‌های بدون رنگ و روغن‌های مخصوص چوب هم از چوب‌های اصلاح شده و هم اصلاح نشده محافظت می‌کنند؛ البته این عمل را هرسال باید تکرار کنید. چوب‌هایی که با این روغن‌ها پوشیده می‌شوند؛ مستعد ترک خوردن می‌شوند.
عملکرد اسید curable و رنگ‌های آبی آکریلیک بر روی ترمووود نسبت به چوب معمولی بهتر است. پنل های ترمووود که با این رنگ‌ها پوشیده شوند؛ از پوسته‌پوسته شدن در امان خواهند بود.
عملکرد رنگ‌های دیواری بیرونی روی هر دو نوع چوب یکسان است و تفاوت مهمی بین آن‌ها یافت نمی‌شود. طبق نتایج بدست آمده، بهترین پوشش برای چوب‌های اصلاح شده حرارتی یا ترمووود ، روغن آستر، حلال حاوی آلکید و رنگ آکریلیک به عنوان رنگ رویی کار می‌باشد.