Faanyagok modifikációja_04 Egyéb vegyületek hatásai (reakciók + technológiák + termékek) Dr. Németh Róbert, NymE Faipari Mérnöki Kar, Sopron, Faanyagtudományi Intézet, 2009.
[email protected]
Bevezetés • Az ecetsav anhidrid a sejtfal polimerjeinek OH-csoportjaival lép reakcióba
Fa
+
ecetsav anhidrid = acetilezett fa +
ecetsav
Reakciót befolyásoló tényezık • Savas anhidrid és fa reakciója egy igen összetett jelenség, aminek reprodukálhatóságát számos tényezı befolyásolja • Használják tömörfa és farost, forgács modifikálására is
Reakciót befolyásoló tényezık • Melyek ezek? • Faanyag és annak elıkezelése (pl. extraktanyagok jelenléte, faanyag mérete, fafaj, sőrőség és faanyag nedvességtartalma) • Reakció közege (pl. tiszta anhidrid vagy oldat, katalizátorok használata, dagadást okozó ágens használata, gızfázisú vagy folyadékfázisú reakció, ecetsav jelenléte) • Reakció paraméterei (pl. méretek, reakció hımérséklete, reakció ideje, faminta elızetes impregnálása, reakció lassítása) • Utókezelés módja (oldószer kivonása, vákuumos melegítés, vízbe merítés, kigızölés, vagy kioldás)
Reakciót befolyásoló tényezık • Extraktanyagok A tömegnövekedés (WPG) értékét befolyásolhatják (látszólag kisebb felvétel a kioldódás miatt) • Faminta mérete Kritikus kérdés a reagens egyenletes eloszlatása a teljes keresztmetszetben. Hozzáférhetıség biztosítása sejtfalak pórusait megnyitó anyagokkal (pl. piridinek). Nehezen áteresztı (impermeabilis) faanyagoknál pl. akác, fenyık probléma lehet az egyenetlen modifikálás (pl. csak a külsı kéreg kap kezelést).
Reakciót befolyásoló tényezık • Faanyag nedvességtartalma Nedves faanyag „dagadt” sejtfala = nyitott mikropórusok = könnyő hozzáférhetıség, de reagens veszteség is a sejtfal víztartalmának reakciója miatt (karboxil sav) , emiatt a szabad víz jelenléte kerülendı • Fafaj (farész) hatása Lényeg a megfelelı hozzáférés. Szijács általában jobban telítıdik, nagyobb WPG (tömegnövekedés), mint a geszt. Bükk, eukaliptusz, nyár, erdeifenyı, duglászfenyı, lucfenyı: jelentıs különbségek a WPG-ben (reakciókészség). Fenyık általában jobban reagálnak.
Reakciót befolyásoló tényezık • Katalizátorok használata Savak használata nem javasolt, mert degradálják a sejtfal polimerjeit Megoldás: Piridin = - oldószer - sejtfalat fellazítja, vagyis a mikropórusok hozzáfárhetıvé válnak - reakció katalizátora
Ecetsav anhidrid és fa reakciója (WPG) a piridin koncentrációjának függvényében (T=100°C, t=30min)
Reakciót befolyásoló tényezık • Ecetsav és reakcióképesség hatása Ecetsav „lazítja” a sejtfalat, így növeli a reakciókészséget, de hígítja az aktív anhidrid reagenst. Magas hımérsékleteken degradációt okoz a sejtfalban. Fontos tehát a folyamat során az ecetsav tartalom figyelése, kontrollálása. Ecetsav visszanyerése a folyamat gazdaságosságának is kulcsa.
Reakciót befolyásoló tényezık • Reakció gızfázisban Legtöbb eljárás folyadékfázisban történik, de vannak gızfázisos reakciók is (eljárások). A hımérséklet emelésével és az ecetsav anhidrid konc. növelésével gyorsult a reakció. Diffúzió szerepe (anatómiai irányok jelentısége)
Ecetsav koncentrációjának hatása a a reakciókészségre (T=120°C, t=5h)
Reakciót befolyásoló tényezık • Reakció paraméterei Magasabb hımérséklet = gyorsabb reakció. A határ 120°C, mert efölött a sejtfal hıbomlása jelentıs. • Ha a faanyag oldószerrel elıre impregnált, akkor a reagens diffúzió útján éri el az OHcsoportokat.
Acetilezés reakciókinetikája: Tömegnövekedés az idı függvényében
Reakciót befolyásoló tényezık • Utókezelés módja Ecetsav melléktermék eltávolítása: költséges, pl. anilinnel való reagáltatás. Olcsóbb: vákuumos hıkezelés, gızöléses utókezelés
Sejtfal reakciókészsége • Sejtfal hozzáférhetısége Ecetsav anhidrid mérete: 0,7 nm Mikropórusok mérete: 2-4 nm, de csak nedves sejtfalban, száraz fában már bezáródnak = nedves fát lehet kezelni.
Sejtfal reakciókészsége • Sejtfal polimerjeinek reakciókészsége Lignin > Hemicellulóz > Cellulóz
Lignin eltávolításának hatása az ecetsav anhidriddel való reakciókészségre
Acetilezett faanyag tulajdonságainak vizsgálata • Sikerült az acetilezés? • Tömegnövekedés (WPG) mérése (mérlegelés), de nagyobb faanyagoknál nem pontos • HPLC (High Pressure Liquid Chromatography) és egyéb eljárások (FTIR, stb. drágák és körülményesek, ipar számára mi lehet a jó megoldás? • Egyelıre marad a WPG
Lignin eltávolításának hatása az ecetsav anhidriddel való reakciókészségre
Sikerült az acetilezés? • Hogyan ellenırizzük • Tömegnövekedés (WPG) mérése (mérlegelés), de nagyobb faanyagoknál nem pontos • HPLC (High Pressure Liquid Chromatography) és egyéb eljárások (FTIR, stb. drágák és körülményesek, ipar számára mi lehet a jó megoldás? • Egyelıre marad a WPG
Lignin eltávolításának hatása az ecetsav anhidriddel való reakciókészségre
Méretstabilitás • Sejtfal feltöltése • Reakció a sejtfal polimerjeivel • Sejtfalk degradációja
Lignin eltávolításának hatása az ecetsav anhidriddel való reakciókészségre
A famodifikáció módszerei (Militz)
Méretstabilitás A méretstabilitás változása a tömegnövekedés függvényében
Mechanikai tulajdonságok • • • •
EMC csökkenése növekedést okoz DE!! H-hidas hálózat stabilitását csökkenti Sejtfal degardálódik: hımérséklet és ecetsav jelenléte miatt • Két ellentétes hatás szinte kiegyenlíti egymást
Gombaállóság • • • •
EMC csökkenése növekedést okoz DE!! H-hidas hálózat stabilitását csökkenti Sejtfal degardálódik: hımérséklet és ecetsav jelenléte miatt • Két ellentétes hatás szinte kiegyenlíti egymást
Gombaállóság • Kékfestı gombáknak, penészeknek Kültérben nem áll ellen!!! – felületkezelni ajánlott
Gombaállóság
Gombabontás mértéke a WPG függvényében, talajban
Az acetilezett faanyag tulajdonságai a „normál” faanyaghoz képest (Accoya)
Az acetilezett faanyag tulajdonságai a „normál” faanyaghoz képest (Accoya) Tartósság
Dimenzióstabilitás
Fafajok
Húr – zsug. Sug. Zsug.Térf. Zsug.
ASE
A – acetilezett fa, B – Teak, C- S.V. Meranti, D – Erdei fenyı, E – Déli sárgafenyı, F - radiátafenyı
Felhasználási területek
Felhasználási területek
Sneek-i autópályahíd, Hollandia, 2008 http://www.schaffitzel.de/de-grossprojekt_sneek (Frysland/Gemeente Sneek, NL )
Sneek-i autópályahíd, Hollandia, 2008 Hogyan készült: http://www.schaffitzel.de/de-grossprojekt_sneek (Frysland/Gemeente Sneek, NL ) • Acetilezett erdei fenyı faanyag újzélandi ültetvényrıl– Accoya® (gyártó Titanwood) • Íves Rétegelt-Ragasztott szerkezet, acél útpályával • 32 m-es fesztáv, 12 m magas • 1080x1400mm-es keresztmetszetek • 690 m3 faanyag • 60 t teherbírású kétsávos híd (+kerékpársáv) • 2 db 240 t tömegő fahéjazat • 3,2 M EUR
Az építés fázisai
Accoya® Dempsey Dyer épület asztalosipari vállalat a fenyıt lecseréli
Accoya® ajtó, ablak, homlokzat burkolás, Tweedbank, Melrose (UK)
Accoya® nagymérető ablakkeretek, felületkezelés tartós, sötétvörös merantiét meghaladó élettartam? Hága
Accoya®, Woodland Enterprise Centre kiállítási csarnokai, Flimwell, Kelet-Sussex (UK)
Accoya® 10 éve a vízben/talajban, nincs észrevehetı károsodás
Accoya® medencék körül
Accoya® fehérre mázolt, fürdıszobaszekrény
Hasznos linkek • http://www.titanwood.com/ •
http://www.schaffitzel.de/de-grossprojekt_sneek
Köszönöm a figyelmet!
