COMPARATIVE ANALYSIS OF THE MICROSTRUCTURE OF WOOD-BASED PANEL MATERIALS FROM DIFFERENT PRODUCING COUNTRIES USING SEM

УДК 674.815-41:620.187

Аннотация

Цель исследования заключается в сравнительном анализе микроструктуры древесно-плитных материалов, широко представленных на рынке Республики Узбекистан, а также в выявлении влияния особенностей внутреннего строения на качество и эксплуатационные характеристики продукции различных производителей. Объектами исследования являлись древесно-стружечные плиты (ДСП), ламинированные древесно-стружечные плиты (ЛДСП), древесно-волокнистые плиты средней плотности (МДФ) и ламинированные МДФ (ЛМДФ), произведённые в России, Иране и странах Европейского Союза.

Методология исследования основана на применении метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Исследовано семь видов образцов при увеличениях от ×100 до ×6000. В общей сложности проанализировано 95 микрофотографий, полученных с различных участков и слоёв материалов. Оценка качества проводилась по комплексу микроструктурных показателей, включающих упорядоченность расположения древесных частиц и волокон, равномерность распределения связующего вещества, качество контакта на границе «стружка–смола», уровень пористости, состояние ламинационного покрытия и степень сохранности анатомической структуры древесины. Для количественной интерпретации результатов использована балльная система оценки по 5-балльной шкале.

Результаты исследования показали существенные различия в микроструктуре древесно-плитных материалов в зависимости от страны происхождения и технологии производства. Наивысшие показатели качества продемонстрировали европейские образцы ЛМДФ и ЛДСП, получившие максимальную оценку — 30 из 30 баллов. Наименьшие показатели выявлены у российского образца ДСП, набравшего 6 баллов из 30 возможных. Установлено, что качество исследованных материалов определяется степенью прессования, характеристиками используемых смол, качеством исходного древесного сырья и уровнем технологической организации производства.

Выводы. Проведённое исследование подтвердило эффективность применения сканирующей электронной микроскопии для оценки качества древесно-плитных материалов и выявления скрытых структурных дефектов. Полученные результаты свидетельствуют о наличии прямой связи между микроструктурными характеристиками и общим уровнем качества продукции. Результаты работы могут быть использованы при оценке импортируемых древесно-плитных материалов, совершенствовании систем контроля качества, а также при разработке нормативных требований и технических рекомендаций для производства конкурентоспособной древесно-плитной продукции в Республике Узбекистан.

Abstract

Objective. The purpose of this study is to conduct a comparative analysis of the microstructure of wood-based panel materials widely available in the Republic of Uzbekistan and to identify the influence of their internal structural features on product quality and performance characteristics. The objects of the study were particleboard (PB), laminated particleboard (LPB), medium-density fiberboard (MDF), and laminated medium-density fiberboard (LMDF) manufactured in Russia, Iran, and the countries of the European Union.

Methodology. The study was carried out using the scanning electron microscopy (SEM) method. Seven types of samples were examined at magnifications ranging from ×100 to ×6000. A total of 95 micrographs obtained from different sections and layers of the investigated materials were analyzed. Quality assessment was performed based on a set of microstructural parameters, including the arrangement and orientation of wood particles and fibers, the uniformity of resin distribution, the quality of the particle–resin interface, the level of porosity, the condition of the laminated surface layer, and the degree of preservation of the wood anatomical structure. A five-point scoring system was used for the quantitative evaluation of the observed characteristics.

Results. The study revealed significant differences in the microstructure of wood-based panel materials depending on their country of origin and manufacturing technology. The highest quality indicators were demonstrated by the European LMDF and LPB samples, which received the maximum score of 30 out of 30 points. The lowest performance was observed in the Russian particleboard sample, which scored 6 out of 30 points. The results indicate that the quality of the investigated materials is strongly influenced by the pressing conditions, the characteristics of the adhesive resin, the quality of the raw wood material, and the overall level of manufacturing technology.

Conclusions. The study confirmed the effectiveness of scanning electron microscopy as a tool for assessing the quality of wood-based panel materials and identifying hidden structural defects. The obtained results demonstrate a direct relationship between microstructural characteristics and the overall quality of the products. The findings may be used for the evaluation of imported wood-based panels, the improvement of quality control systems, and the development of regulatory requirements and technical recommendations aimed at producing competitive wood-based panel products in the Republic of Uzbekistan.

Ключевые слова: древесно-стружечная плита, МДФ, ЛМДФ, ЛДСП, сканирующая электронная микроскопия, микроструктура, распределение смолы, пористость, трахеида, качество панельных материалов.

Keywords: particleboard, laminated particleboard, MDF, LMDF, scanning electron microscopy, microstructure, resin distribution, porosity, tracheid, panel materials quality.

Введение

Древесно-основные композитные панельные материалы — древесно-стружечные плиты (ДСП), ламинированные древесно-стружечные плиты (ЛДСП), древесноволокнистые плиты средней плотности (МДФ) и их ламинированные разновидности (ЛМДФ) — являются основными материалами, широко используемыми в современной мебельной промышленности, строительстве и отделочных работах [1, 2]. Данные материалы обладают рядом преимуществ по сравнению с натуральной древесиной: более низкой стоимостью, возможностью получения панелей больших размеров, однородностью механических свойств, а также эффективным использованием отходов древесного сырья [3].

В последние годы в Республике Узбекистан наблюдается интенсивное развитие мебельной и строительной отрасли. На внутреннем рынке широко представлены панельные материалы, импортируемые из Российской Федерации, Исламской Республики Иран и стран Европейского союза. Однако эксплуатационные характеристики данных материалов, такие как механическая прочность, уровень эмиссии формальдегида, влагостойкость и долговечность ламинированного покрытия, существенно различаются в зависимости от производителя [4]. Для объяснения этих различий необходимо детальное изучение внутренней микроструктуры панельных материалов.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) является одним из наиболее эффективных методов современного материаловедения для исследования внутренней структуры древесных композитов [5, 6]. С помощью СЭМ возможно с высокой точностью наблюдать такие параметры, как распределение частиц и волокон, равномерность распределения смолы, качество границы между древесной частицей и связующим веществом, наличие макро- и микропор, а также анатомические особенности древесных клеток (трахеиды, окаймлённые поры, перфорационные пластинки, спиральные утолщения). Именно эти микроструктурные характеристики напрямую определяют макроскопические свойства материалов [7].

Согласно анализу литературы, взаимосвязь между микроструктурой и эксплуатационными свойствами древесных композитов изучалась многими исследователями [8, 9]. В классической монографии Мэлоуни [1] подробно рассмотрены технологии производства ДСП и МДФ. Дунки и Нимц [10] исследовали роль аминопластовых клеев (UF, MUF, MF) в древесных композитах. Парк и соавторы [11] с использованием СЭМ выявили микроструктурные различия между HDF и MDF. Однако сравнительный СЭМ-анализ панельных материалов различных стран-производителей, проведённый в едином методическом подходе, в научной литературе встречается редко.

Цель исследования — провести сравнительное изучение внутренней микроструктуры семи видов панельных материалов (ДСП, ЛДСП, МДФ, ЛМДФ), полученных от производителей России, Ирана и стран Европейского союза, с использованием СЭМ, выполнить количественную и качественную оценку микроструктурных параметров, а также сформировать рейтинг качества на основе полученных результатов.

Научная новизна исследования заключается в том, что впервые микроструктурные характеристики семи наиболее распространённых на местном рынке панельных материалов были проанализированы в рамках единой методики и на этой основе разработан рейтинг качества.

Объекты и методы исследования

Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны образцы семи видов древесно-основных панельных материалов. Образцы были получены от производителей из Российской Федерации, Исламской Республики Иран и стран Европейского союза. Перечень образцов приведён в таблице 1.

Таблица 1. Перечень образцов, использованных для исследования

Подготовка образцов. Из каждого панельного материала были вырезаны образцы кубической формы размером примерно 5×5×5 мм с использованием острого керамического ножа. В процессе резки не применялось избыточное механическое давление, что необходимо для предотвращения разрушения микроструктуры. Поверхность излома подготавливалась для анализа таким образом, чтобы древесные волокна и стружки сохраняли своё естественное состояние и были хорошо различимы. Образцы вскрывались методом чистого излома без дополнительной механической обработки. Для обеспечения электропроводности образцы фиксировались на алюминиевом держателе-диске с помощью двусторонней проводящей углеродной ленты. Поверхность образцов дополнительно не покрывалась металлическим слоем, поскольку измерения проводились при низком ускоряющем напряжении (5,0 кВ), при котором эффект зарядки был минимальным.

Методология исследования

Исследование микроструктуры древесно-плитных материалов проводилось методом сканирующей электронной микроскопии (SEM). Объектами исследования являлись образцы древесно-стружечных плит (ДСП), ламинированных древесно-стружечных плит (ЛДСП), древесно-волокнистых плит средней плотности (МДФ) и ламинированных древесно-волокнистых плит средней плотности (ЛМДФ), представленные на рынке Республики Узбекистан.

Сканирующая электронная микроскопия выполнялась в лаборатории Института химии и физики полимеров Академии наук Республики Узбекистан. Исследования проводились с использованием детектора вторичных электронов (Secondary Electron Detector, SED). Параметры измерений были следующими: ускоряющее напряжение — 5,0 кВ; рабочее расстояние — от 11,8 до 13,1 мм; мощность электронного пучка — стандартная 35,0; режим работы — высокий вакуум. Диапазон увеличений составлял от ×100 до ×6000.

Для обеспечения репрезентативности результатов каждый образец исследовался в нескольких зонах и при различных увеличениях. Увеличения ×100–×200 использовались для анализа общей структуры и характера распределения древесных частиц и волокон. При увеличениях ×600–×1500 изучались особенности распределения связующего вещества и состояние границы раздела «частица–смола». Увеличения ×1000–×2000 применялись для оценки сохранности анатомической структуры древесных клеток. Исследования при увеличениях ×3000–×6000 позволяли анализировать микропористость материала, включая окаймлённые поры и другие микроразмерные структурные элементы клеточных стенок.

Оценка SEM-изображений выполнялась на основе комплексного анализа микроструктурных характеристик. Для количественной интерпретации результатов использовалась пятибалльная шкала, по которой оценивались следующие показатели: упорядоченность расположения древесных частиц и волокон; равномерность распределения смолы; качество и прочность межфазной границы «частица–смола»; степень пористости структуры; качество поверхностного ламинирующего слоя (для ЛДСП и ЛМДФ); сохранность анатомической структуры древесины. По результатам оценки каждого критерия рассчитывался суммарный рейтинг, который использовался для сравнительного анализа исследуемых образцов и определения их общего уровня

Результаты и обсуждение

Микроструктура образца ДСП российского производства. SEM-анализ образца ДСП российского производителя показал низкие показатели качества материала (рис. 1). При увеличениях ×150 и ×300 наблюдается хаотичное и рыхлое расположение древесных частиц с наличием крупных макропор и открытых пустот между ними. Частицы имеют вытянутую форму (примерно 100–500 мкм), при этом отсутствует их направленная ориентация. Это свидетельствует о низкой однородности материала и значительной анизотропии его механических свойств.

При увеличениях ×600 и ×1500 выявлено распределение смолы: она локализована в отдельных участках и не образует непрерывного покрытия на поверхности частиц. Данное явление называется «недостатком смолы» и связано, как правило, с низким давлением прессования или недостаточным временем прессования [12].

При увеличениях ×3000 и ×6000 установлено, что смоляная плёнка на стенках клеток тонкая и неравномерная, что указывает на слабую адгезию в зоне «частица–смола» и повышает вероятность межфазного разрушения между древесной частицей и связующим.

Микроструктура образца ДСП иранского производства. Образец ДСП иранского производителя демонстрирует более плотную по сравнению с российским образцом, однако неоднородную структуру (рис. 3). При увеличениях ×150–×300 наблюдается хаотичное расположение стружек, при этом количество пустот меньше, а их размеры существенно ниже, чем у российского образца. Между частицами фиксируются поры среднего и крупного размера (примерно 20–100 мкм).

При увеличениях ×600 и ×1500 выявлено явление локального накопления смолы — в отдельных зонах наблюдается её избыток, тогда как в других участках фиксируется дефицит связующего. Это соответствует неравномерному распределению смолы среднего качества (рис. 4).

При увеличении ×3000 установлены признаки частичного разрушения и ослабления границы «частица–смола», выражающиеся в отслоении между древесной частицей и связующим веществом.

Характерная для ДСП иранского производства капиллярно-пористая структура указывает на повышенную водопоглощаемость материала и высокий коэффициент разбухания при воздействии влаги.

Микроструктура образца ДСП европейского производства. Образец ДСП, полученный из стран Европейского союза, показал наивысшее качество среди всех исследованных неламинированных ДСП-образцов (рис. 5). При увеличении ×200 наблюдается плотное и упорядоченное расположение стружек с ориентацией в одном направлении (горизонтальном), что свидетельствует о качественном выполнении этапа ориентирования стружек в технологическом процессе. Пористость минимальна, образование макропор практически отсутствует.

При увеличениях ×300–×500 установлено равномерное распределение смолы: связующее вещество образует непрерывную и однородную плёнку, полностью покрывающую поверхность стружек. Это указывает на оптимальное количество меламино-карбамидо-формальдегидной смолы и корректно подобранные режимы прессования (температура, давление, время) [13].

При увеличениях ×800–×4000 отмечается высокая степень сохранности анатомической структуры древесины (рис. 6). Чётко наблюдаются древесные клетки (трахеиды — трубчатые клетки), окаймлённые поры, а также проводящие пластинки между клетками.

Микроструктура образца ЛДСП российского производства. Образец ЛДСП российского производителя благодаря наличию ламинирующего слоя показал значительно лучшие микроструктурные характеристики по сравнению с неламинированным образцом ДСП российского производства (рис. 7).

При увеличении ×150 на поверхности наблюдается плотный, гладкий слой толщиной примерно 50–100 мкм — это декоративное покрытие, сформированное термореактивным полимером (обычно меламино-формальдегидной плёнкой), спрессованным с поверхностью плиты.

Наиболее интересные особенности выявлены при увеличениях ×800–×3000: во внутреннем слое хорошо сохранена анатомическая структура древесных клеток (трубчатые клетки, проводящие пластинки, окаймлённые поры, спирально утолщённые элементы клеточных стенок). При увеличении ×3000 установлено, что мелкие поры на поверхности трубчатых клеток расположены равномерно и упорядоченно (рис. 8).

При увеличении ×2000 отчётливо видны спиральные утолщения, которые свидетельствуют о том, что древесина получена из медленно растущих, плотных пород.

Распределение смолы лучше, чем у ДСП российского производства, однако по сравнению с европейскими образцами остаётся менее равномерным.

Микроструктура образца ЛДСП европейского производства. Образец ЛДСП европейского производителя показал эталонное качество среди всех ламинированных панельных материалов (рис. 9). При увеличениях ×100 и ×200 на поверхности наблюдается очень плотный, гладкий и однородный ламинирующий слой, который эффективно защищает внутреннюю часть материала от влаги, механического истирания и ультрафиолетового излучения. Граница между ламинирующим слоем и внутренней частью чётко выражена, однако признаков расслоения между слоями не обнаружено.

При увеличениях ×500–×1500 во внутренней структуре установлено упорядоченное расположение стружек, равномерное распределение смолы и низкий уровень пористости. Анатомическая структура древесины хорошо сохранена: при ×500 отчётливо видны полностью сохранённые пучки трубчатых клеток, проводящие пластинки и спирально утолщённые клеточные элементы (рис. 10).

Закрытая пористая структура является характерной особенностью ЛДСП европейского производства, что обеспечивает минимальное водопоглощение материала и низкий коэффициент разбухания.

Микроструктура образца МДФ европейского производства. Образец МДФ имеет принципиально отличающуюся микроструктуру по сравнению с типами ДСП (рис. 11). При увеличениях ×100 и ×300 отчётливо наблюдается волокнистая структура материала: длинные, тонкие волокна (диаметром примерно 10–50 мкм и длиной до 1–5 мм) плотно переплетены между собой. Вместо крупных стружек, характерных для ДСП, здесь формируется сеть из мелких древесных волокон, что является особенностью технологии производства МДФ, при которой древесина предварительно подвергается термомеханическому разделению на волокна [14].

При увеличениях ×500–×1000 выявлены межволоконные пустоты, что указывает на наличие умеренной пористости в отличие от ЛМДФ. Распределение смолы равномерное и однородное, однако наличие межволоконных пространств обусловливает средний уровень пористости материала.

При увеличении ×2000 наблюдается поверхность отдельных волокон: они имеют удлинённую цилиндрическую форму и хорошо покрыты связующим веществом (рис. 12).

Микроструктура образца ЛМДФ европейского производства. Образец ЛМДФ европейского производства показал наивысшие микроструктурные характеристики среди всех исследованных образцов (рис. 13). При увеличениях ×100 и ×200 наблюдается очень плотная и однородная волокнистая структура: мелкие волокна (примерно 10–30 мкм) плотно переплетены и упакованы, при этом межволоконные пустоты минимальны.

При увеличениях ×300–×800 установлено, что смола образует непрерывную плёнку, полностью покрывающую волокна. Формирование такой сплошной смоляной оболочки обеспечивает высокую целостность материала и максимальную механическую прочность.

При увеличениях ×1500 и ×3000 отчётливо видны поверхности отдельных волокон и точки их сцепления со связующим: смола равномерно и непрерывно обволакивает волокна, не наблюдается признаков расслоения или дефектов (рис. 14). Поверхностный ламинирующий слой отличается очень высоким качеством. Общая пористость крайне низкая, что обеспечивает минимальное водопоглощение и высокую размерную стабильность ЛМДФ.

Сравнительный анализ и рейтинг качества. На основе результатов SEM-анализа сравнительная оценка микроструктурных параметров исследованных образцов была обобщена в таблице 2. Каждый параметр оценивался по 5-балльной шкале.

Таблица 2. Сравнительный рейтинг образцов по показателям SEM (5-балльная шкала)

2-й таблицы видно, что наивысший общий рейтинг (30 баллов) относится к образцам ЛДСП европейского производства и ЛМДФ европейского производства, тогда как самый низкий рейтинг (6 баллов) — у образца ДСП российского производства. ДСП иранского производства (11 баллов) и ЛДСП российского производства (20 баллов) характеризуются средним уровнем качества.

Причины микроструктурных различий. Выявленные в SEM-анализе микроструктурные различия объясняются рядом технологических и сырьевых факторов. Во-первых, уровнем совершенства производственной технологии: на европейских предприятиях применяются современные установки непрерывного прессования, точный контроль температуры и давления, а также этапы ориентирования стружки [3, 7]. Во-вторых, важную роль играет состав и качество используемых смол. Европейские производители, как правило, применяют высококачественные MUF или PF смолы [10, 15]. В-третьих, существенное значение имеет качество исходного древесного сырья: европейские предприятия используют контролируемо выращенную древесину однородных сортов [16]. В-четвёртых, ключевую роль играют режимы прессования (температура, давление, время), которые в европейских стандартах (EN 312, EN 622) строго регламентированы и контролируются [17, 18].

Связь микроструктуры и эксплуатационных свойств. Выявленные микроструктурные особенности напрямую определяют макроскопические эксплуатационные свойства панельных материалов. Упорядоченная, плотная и равномерно пропитанная смолой структура (европейские образцы) обеспечивает высокую прочность при изгибе, сжатии и разрушении, а также низкое водопоглощение и малый коэффициент разбухания. Напротив, рыхлая, неупорядоченная структура с неравномерным распределением смолы (ДСП российского производства) приводит к снижению механической прочности, повышенному водопоглощению и значительному разбуханию.

Эмиссия формальдегида также напрямую связана с микроструктурой: пористая и открытая структура способствует более высокой эмиссии, тогда как плотная и закрытопористая структура обеспечивает её снижение [19].

Выводы

На основании проведённого исследования сформулированы следующие выводы:

- Сканирующая электронная микроскопия подтверждена как высокоэффективный метод оценки качества древесных панельных материалов; всего проанализировано 95 SEM-микрофотографий и определены микроструктурные характеристики 7 типов панельных материалов.

- Наивысшие показатели качества имеют образцы ЛМДФ и ЛДСП европейского производства (30 из 30 баллов), а также ДСП европейского производства (25 баллов) и МДФ европейского производства (19 баллов), относящиеся к высокому и средне-высокому уровню качества.

- Наименьшие показатели качества выявлены у ДСП российского производства (6 баллов) и ДСП иранского производства (11 баллов); ЛДСП российского производства (20 баллов) частично компенсирует микроструктурные дефекты за счёт поверхностного ламинирующего слоя.

- Основными причинами микроструктурных различий являются уровень технологического развития производства, состав и качество применяемых смол, однородность исходного древесного сырья и режимы прессования.

- Установлено, что микроструктурные характеристики напрямую определяют макроскопические эксплуатационные свойства панельных материалов.

- Полученные результаты могут быть использованы при разработке нормативов качества в Республике Узбекистан, а также при оценке импортируемых древесных панельных материалов.

Список литературы:

1. Lubis M.A.R., Park B.-D. Production of Wood-Based Panel from Recycled Wood Resource: A Literature Review // European Journal of Wood and Wood Products. — 2023. — Vol. 81. — P. 557–570.
2. Bekhta P., Krystofiak T., Sedliačik J. Effect of Melamine-Impregnated Decorative Papers on Physical and Mechanical Properties of Laminated MDF // Polymers. — 2023. — Vol. 15. — Art. 1705.
3. Barbu M.C., Irle M. Circular Economy Approaches in Wood-Based Panel Manufacturing // Wood Material Science and Engineering. — 2023. — Vol. 18. — P. 87–101.
4. Ferrandez-Garcia C.E. et al. Mechanical Characterization of Recycled Particleboards Compared with Commercial MDF and HDF Panels // Materials. — 2023. — Vol. 16. — Art. 3920.
5. Iswanto A.H. et al. Physical and Mechanical Performance of Particleboard Manufactured from Agricultural and Wood Residues // Forests. — 2023. — Vol. 14. — Art. 913.
6. Ayrilmis N., Kwon J.H. Comparative Evaluation of Particleboard, MDF and HDF Panels for Furniture Production // Construction and Building Materials. — 2024. — Vol. 411.
7. Sedliačik J., Bekhta P. Physical and Mechanical Performance of Laminated Wood-Based Composites under Cyclic Humidity Conditions // Materials. — 2024. — Vol. 17.
8. Park B.-D., Kim J.-W., Lubis M.A.R. Recent Developments in Bio-Adhesives for Engineered Wood Products // Polymers. — 2024. — Vol. 16.
9. Ferrandez-Garcia C.E., Ferrandez-Villena M. Circular Utilization of Wood Residues in Particleboard Production // Sustainability. — 2024. — Vol. 16.
10. Nuryawan A., Park B.-D. Performance Evaluation of Eco-Friendly Medium-Density Fiberboards Produced with Bio-Based Adhesives // Journal of Cleaner Production. — 2025.
11. Iswanto A.H., Hadi Y.S. Influence of Recycled Wood Content on Strength and Durability of Particleboards // BioResources. — 2025.
12. Barbu M.C., Irle M. Sustainable Wood-Based Panel Products for the Circular Bioeconomy // Forest Products Journal. — 2025.
13. Niemz P., Sandberg D., Salmén L. Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes // Springer Handbook of Wood Science and Technology. — 2023.
14. Candan Z., Akbulut T. Physical and Mechanical Properties of MDF Panels Bonded with Different Resin Types // BioResources. — 2020.
15. Taghiyari H.R., Karimi A. Comparative Study of Water Absorption and Thickness Swelling in Wood-Based Panels // Construction and Building Materials. — 2021.