Faanyagok modifikációja_03 A faanyag modifikálásának alapjai
Dr. Németh Róbert, NymE Faipari Mérnöki Kar, Sopron, Faanyagtudományi Intézet, 2009.
[email protected]
Homlokzat - Hıkezelt lúcfenyı, (P. Niemz, ETH)
Homlokzat - Hıkezelt fa – 2 éves kitettség, (P. Niemz, ETH)
Zajvédı fal - Hıkezelt lúcfenyı, (P. Niemz, ETH)
Beltéri használat (Öregített fa) (P. Niemz, ETH)
Padlóburkolat - Hıkezelt fából (P. Niemz, ETH)
A fa strukturális szintjei Fa (0,1-1m)
Szelvényáru 10….100mm
Évgyőrőszélesség: 0.5…15mm Sejtfal 1-5µm Tracheidák :20-40µm
Molekulák:<1nm Mikrofibrillák: 3…10nm
(University of Canterbury, New Zealand)
A fa mint biopolimer (O. Faix, Hamburg)
Nano (micro) pórusok
A nano (mikro) pórusok szerepe • Sejtfalon belüli OH-csoportokkal történı kémiai reakció • Modifikáló ágensek sejtfalba juttatása • Modifikáló ágensek sejtfalban tartása pl. dimenzióstabilitás növeléséhez • Sejtfali nanopórusok blokkolása, pl. gombaállóság növelése • Sejtfalban keresztkapcsolatok (fa-fa kötések) kialakulása, ami a mikropórusok nyitását gátolja (pl. nedvesség hatása). • Ált. vizes oldatokat alkalmaznak, melybe a vizes fát belemerítik. A molekulák belépnek a makropórusokba (edények pl.), és ha elég kicsik, akkor a sejtfali mikropórusokba is. Ez lehetıséget teremt a modifikálásra és a sejtfali pórusok méretének feltérképezésére is.
A faanyag kémiai felépítése • Fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságokat is befolyásolja. Az anyag viselkedése csak ennek ismeretében érthetı meg. • A modifikáció számos esetben a faanyag polimer szerkezetének módosítását jelenti. • Három fı polimer összetevı: • Cellulóz • Hemicellulóz • Lignin
A cellulóz • 40-50% os arány • a) β-D glükopiranóz
• b) Cellobióz
• c) Glükopiranóz váz • d) Glükopiranóz egységek lineáris elrendezıdése
A cellulóz • Polimerizációs foka faanyagnál 10.000 • Cellulózláncok H-hidas kötésekkel mikrofibrillákká kapcsolódnak össze • Kristályos és amorf részekkel • Mikrofibrillák kristályos jellege erısebb, ezért a hınek ellenáll.
A hemicellulózok • A hemicellulóz molekuláris felépítése (O-acetil galaktoglükomannán)
A hemicellulózok • Poliszaharidok, akárcsak a cellulóz, de számos cukoregységbıl épülnek fel • Polimerizációs fok: 200-300 • Kevésbé rendezettek mint a cellulóz, de lehetnek kristályos részek • A cellulóz „gerincszerkezetével” szemben elágazó cukrok. • Erıs amorf jellege miatt sok OH-csoport hozzáférhetı, emiatt reakcióképes, és hıre könnyebben bomlik, mint a cellulóz v. a lignin.
A hemicellulózok • Szerepük: kapcsolatot (kötést) létesítenek az erısen poláros mikrofibrilla felszín (cellulóz) és az apoláros lignin mátrix között. • A hemicellulózok degradációja fát rideggé és „törékennyé” teszi, tehát a viszkoelasztikus tulajdonságokhoz hozzájárul. • A hemicellulózok H-hidas kötéseket létesítenek a mikrofibrillákkal és kovalens kötéseket a lignin mátrixszal. • Lombosokban több hemicellulózt találunk, mint fenyıkben, tovább a lombosok hemicellulózainak pentozán aránya magasabb és acetilezettségük aránya is magasabb.
A lignin • Fenyık ligninjének molekuláris szerkezete
A lignin • Rendkívül amorf fenolos polimer, meghatározatlan molekulatömeggel. • A lignifikáció random jellegő polimerizációs folyamat, eredménye egy 3D-s random hálózat. • Emiatt a ligninnek nincs egzakt szerkezete, csak az egyes kötéstípusok gyakoriságával jellemezhetı.
A lignin • Szerepe: - faanyag keménységéért felel és - sejtek „ragasztóanyaga” a középlamellában • Szobahımérsékleten merev, de 140°C-tól felfelé nedvesség hatására plasztifikálódik. • OH-csoportban viszonylag szegény, a poliszaharidokhoz képest • Lombosok magas sziringil-tartalommal, míg a fenyıkl alacsony sziringil tartalmúak.
Extrakt anyagok • Fafajfüggı, 0,5%-tól akár 20%-ig (m%) !!. • Modifikációs eljárásoknál problémát jelenthet. • Pl. az extraktanyagok kimosódása a kezelı közegbe meghamisítja a kezelıszer felvételi mennyiségét. • Hıre és vákuumra eltávoznak (részben).
Hidroxil-csoportok (OH) hozzáférhetısége • OH-csoportok (sejtfal polimerszerkezetében) a faanyag számos tulajdonságát meghatározzák • OH-csoportok felelısek a víz megkötéséért is (adszorpció), ami méretváltozáshoz és biológiai támadás lehetıségéhez vezet. • Molekuláris szinten az OH-csoportok befolyásolják leginkább a faanyag tulajdonságait. • Kristályos mikrofibrilla részekben az OH-csoportok nem hozzáférhetık – vizet nem vesznek fel. • Legtöbb hozzáférhetı OH-csoport a hemicellulózban van jelen • Ca. 8,6x10-3 mol/g fa a hozzáférhetı OH csoportok száma (EF).
Fa-víz kapcsolatok • Faanyag higroszkópos, zsugorodik és dagad • Szorpciós modellek, BET – adszorpció, Hailwood-Horrobin (HH) – oldat • Rosttelíttetségi pont (átlag ca. 30%, de 21 (akác) -44% (nyár)!!!)
Fa-víz kapcsolatok • Egyensúlyi fanedvesség (EMC) ≠ Modifikált faminta nedvességtartalma (fa+modifikátor). • • • • •
EMC (%) = [(M2-M1)/M1]x100 EMCReduced (%) = [(M2-M1)/M0]x100, ahol M2 – modifikált faminta nedves tömege M1 – modifikált faminta absz. száraz tömege M0 –faminta absz. száraz tömege modifikálás elıtt
Fa-víz kapcsolatok •
A tömegnövekedés (WPG) hatása az EMC-re a kémialag módosított faanyag esetén
Fa-víz kapcsolatok • A faanyag méretbeli instabilitása • Radiális/tangenciális irányok különbözısége (tang. kb. 2x nagyobb mint rad.) • Méretváltozások csak a rosttelítettségi határ (FSP) alatt. • Modifikáció hatására javul a méret instabilitása = ASE (Anti-Swelling-Efficiency), számítása: ASE(%) = [(Zsnat - Zsmod)/ Zsnat ]x100 /sugár, húr és térfogatra is számítható/ /értéke függhet attól, hogy milyen nedvességtartományban határozták meg, és a próbatestek méretétıl is!!!
Fa-víz kapcsolatok • Méretek stabilizálása a sejtfal feltöltésével, ami eleve dagadással jár (kovalens kötés vagy sem)
A – modifikált faanyag B- kezeletlen faanyag WS - vízbe merítés OD – absz. szárazra szárítás
Idealizált eset, mert a ciklusokkal anyagvesztés is van!
Fa-víz kapcsolatok • A módosított faanyag térfogatának változása ismételt nedvesítés és szárítás hatására a) Sejtfal anyagának vesztése (hemicell. frakció), de a modifikátor marad – ASE marad b) Modifikátor vesztése – ASE csökken WS - vízbe merítés OD – absz. szárazra szárítás
Fa-víz kapcsolatok • A módosított faanyag térfogatának változása ismételt nedvesítés és szárítás hatására a) Sejtfal anyagának vesztése (hemicell. frakció), de a modifikátor marad – ASE marad b) Modifikátor vesztése – ASE csökken WS - vízbe merítés OD – absz. szárazra szárítás
Modifikált faanyag mechanikai tulajdonságai • Nedvességfüggı • FSP (rosttelítettség) alatt változik, ha nedvesség csökken, akkor nınek a szilárdságok • A modifikációs eljárások csökkentik az EMC-t (egyensúlyi fanedvesség), tehát nı a szilárdság adott RH (rel. páratartalom) mellett. • DE!!! • Hıkezelés = sejtfal degradációja • Kémiai kezelések = savas melléktermékek esetén degradáció
Modifikált faanyag és a biológiai degradáció • • • •
A faanyag természetes úton lebomlik (+ /-) Életciklus növelése a cél Makrobiológiai kártevık (rovarok, emlısök) Mikrobiológiai kártevık (farontó gombák, kékfestı gombák, penészek és baktériumok)
Faanyag bontása korhasztó gombák által • Víz, oxigén és tápanyagforrás kell a bontáshoz • Legjobb megoldás a jó szerkezettervezés, a víz távoltartása • DE! Rossz tervezés miatt, vagy pl. talajjal való állandó érintkezés esetén gombatámadás veszélye megnı • Gyakran szükséges a gombák elleni védelem
• Barnakorhasztó gombák: poliszaharidokat támadják (cellulóz, hemicellulóz). Lignin marad, töredezett, kubusos szerkezet, komoly szilárdságvesztés • Fehérkorhasztó gombák: lignint és poliszaharidokat is bontják, szálas szerkezet. Zsugorodik az anyag, fıleg lombosoknál fordul elı. Eleinte csekély szilárdságvesztés • Lágykorhasztó gombák: puha, fekete felszín, de alatta érintetlen farész. Ha kiszárad finom felszíni repedések hálózatosan. Magas nedvességtartalmú helyeken fordul elı. • Korhasztó mechanizmus: egy sor enzim bontja a fa polimerjeit. Az enzim-molekulák nagyobbak, mint a mikro (nano pórusok, ezért a gombák alacsony molekulatömegő ágensekkel „lazítják fel” a sejtfalat. Ezen anyagok diffúziójához nedvesség szükséges.
Gombaállóság vizsgálata • Egy sor szabvány a • laboratóriumi steril tesztekre kiválasztott gombatenyészettel és a • Kültéri tesztekre „vegyes” gombatenyészetekkel (pl. pálcák talajba süllyesztése) • DE!! A fa természetes változékonysága és a gombatenyészetek „lustasága” vagy éppen „fokozott étvágya” sokszor ellentmondásos eredményeket hoznak (tudományos vita zajlik a szabványok átdolgozásáról).
Gombaállóság vizsgálata • Egy sor szabvány a • laboratóriumi steril tesztekre kiválasztott gombatenyészettel és a • Kültéri tesztekre „vegyes” gombatenyészetekkel (pl. pálcák talajba süllyesztése) • DE!! A fa természetes változékonysága és a gombatenyészetek „lustasága” vagy éppen „fokozott étvágya” sokszor ellentmondásos eredményeket hoznak (tudományos vita zajlik a szabványok tdolgozásáról).
Egyéb organizmusok • Kékfestı gombák – esztétikai hiba • Baktériumok – gombák kiszorítás esetén (védelem) támadnak: erodálnak, üregeket alakítanak ki a sejtfalban • Rovarok: általában száraz fát támadják • Tengeri károsítók..
Megtörtént a modifikálás? Ellenırzés? • Kémiai modifikálásnál az ágens felvétele mérvadó. • WPG(%) = [(Mmod - Mnat)/Mmod]x100 • Mmod – modifikált faanyag absz. száraz tömege • Mnat – natúr faanyag absz. száraz tömege • Hıkezelésnél: színváltozás mérvadó
Köszönöm a figyelmet!
