Faanyagok modifikációja_06 Faanyagok módosítása hıkezeléssel – kémiai változások a faanyagban a hıkezelés hatására
Dr. Németh Róbert, NymE Faipari Mérnöki Kar, Sopron, Faanyagtudományi Intézet, 2009.
[email protected]
Bevezetés • A hıkezeléses eljárások terjedtek el az iparban leginkább • Tiemann (1915) 150°C-on 4h-ig g ızölt száraz faanyagot. Cél: dimenziósatbilitás és tartósság növelése. Azóta számos kutatást folytattak és nagyszámú ipari szabadalom született. • Hımérsékleti határok:
140°C alatt csekély változás
180°C – 260°C modern eljárásokban bevált
300°C felett komoly degradáció, tönkremegy a faanyag
A famodifikáció módszerei (Militz)
Változások Hıközlés hatására a makromolekuláris rendszer kémiai változásokon megy át, ami a faanyag fizikai és bilógiai jellemzıit módosítja, melyek ezek? • Dimenzióstabilitás (ASE) • Csökkenı higroszkóposság (EMC csökkenése és nedvesíthetıség csökkenése) • Mikrobiológiai támadásokkal szembeni ellenálló képesség növekedése • Rugalmassági modulusz kezdeti növekedése (alacsonyabb hımérséklető kezeléseknél merevebbé válik az anyag) • Hajlítószilárdság és ütı-törı munka csökkenése • Csökkenı kopásállóság • Repedések gyakorisága nı, göcsök kiesnek • Szín sötétedik (világosság (L*) értéke csökken)
Eljárások paraméterei • • • • • • •
Kezelés hımérséklete és idıtartama Kezelı közeg Zárt vagy nyitott-e a rendszer Fafaj Száraz vagy nedves rendszer Faminták mérete Katalizátorok használata
Kezelés hımérséklete és idıtartama • A hımérséklet és az idı szorosan összetartozó paraméterek • Alacsonyabb hımérsékletekhez általában hosszabb idık tartoznak, DE! • Az aktivációs energia szintjének (egy bizonyos hımérséklet) elérése nélkül akár „végtelen” ideig is várhatunk a modifikálásra. • Magasabb hımérsékletek és hosszabb kezelési idık általában sötétebb színt, magasabb gombaállóságot, de csökkenı szilárdságokat jelentenek
Kezelés hımérséklete és idıtartama
Kezelı közeg • • • • •
Levegı Vákuum Inert atmoszféra (pl. nitrogén) Fémolvadék Forró olajok (pl. növényi használt olajok a „fritızbıl”)
Zárt vagy nyitott-e a rendszer • Zárt reaktorban (autokláv) a degradációs termékek befolyásolhatják a modifikálás folyamatát, a nyomást is növelik a reaktorban. Pl. a hemicellulóz acetil csoportjainak lehasadásával savak keletkeznek, melyek gyorsítják a sejtfal degradációját. • Nyitott rendszerben a savak elvezethetık. • Vannak olyan zárt rendszerek, ahol a keletkezett gázokat, gızöket kivonják, és a tisztított kezelı közeget vezetik vissza a reaktorba
Fafaj • Egyes fafajok között is vannak különbségek • A lombosok és a fenyık kifejezett eltérıen reagálnak a hıkezelésre. (Eltérı menetrendek) • Lombosoknál általában intenzívebb tömegvesztés (degradáció, ill. átalakulás).
Száraz vagy nedves rendszer • A víz, vagy a vízgız jelenléte befolyásolja a termikus modifikáció kémiáját, és a hıáramlást a faanyagban. • Száraz eljárásoknál a faanyagot kiszárítják a tulajdonképpeni hıkezelés elıtt (többnyire magában a hıkezelı kamrában). • Nedves faanyag zárt rendszerő kezelésénél a víz nagynyomású gızé alakul a reaktorban és mint inert védıréteg gátolja az oxidatív degradációt (higrotermikus hezelés). • Hidrotermikus kezelés = fızés, biomassza és cukor elıállításához
Faminták mérete • A faanyag természetes heterogenitása a kezelés eredményének heterogenitását hozhatja magával. • Fontos a faanyagban az egyenletes hımérséklet eloszlás biztosítása, ami a hıvezetéssel függ össze. • A száraz fa hıvezetı képessége alacsony, ezért a középrétegek átmelegítése érdekében gyakran gızfőtést is alkalmaznak. • Ez különösen nagy keresztmetszető anyagoknál érvényes
Katalizátorok használata • Jelenleg kísérleti stádiumban vannak az eljárások • Savas katalizátorokkal gyorsítják a sejtfal anyaginak átalakulását • Növekvı mennyiségő furfurol és furán származékok
Hemicellulózok bomlása
Cellulóz bomlása
Faanyag bomlása inert atmoszférában
Thermogravimetric Analysis Diff. Thermal Analysis
Tömegcsökkenés az idı függvényében
Kémiai változások a hıkezelés hatására 120°C Hemicellulózok
180°C
arabinóz galaktóz
Egyensúlyi fanedvesség
230°C
xilóz mannóz
Dimenzióstabilitás
ecetsav
Biológiai tartósság
amorf
230°C
Kristályos jelleg növekedése
szilárdság
Cellulóz Kristályok számának növekedése
kristályos
120°C, 230°C Lignin
Szerkezeti változások
szívósság
Idıjárás sállóság
Szabad gyökök 120°C, 180°C növekedés Extraktanyagok
csökkenés
Festhetıség Ragaszthatóság
230°C
Változások a sejtfal szerkezetében
Hatás
Köszönöm a figyelmet!
