Faanyagok modifikációja_03

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Faanyagok modifikációja_03"

Pál Dobos
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Faanyagok modifikációja_03 A faanyag modifikálásának alapjai Dr. Németh Róbert, NymE Faipari Mérnöki Kar, Sopron, Faanyagtudományi Intézet, nemethr@fmk.nyme.hu

2 Homlokzat - Hıkezelt lúcfenyı, (P. Niemz, ETH)

3 Homlokzat - Hıkezelt fa 2 éves kitettség, (P. Niemz, ETH)

4 Zajvédı fal - Hıkezelt lúcfenyı, (P. Niemz, ETH)

5 Beltéri használat (Öregített fa) (P. Niemz, ETH)

6 Padlóburkolat - Hıkezelt fából (P. Niemz, ETH)

7 A fa strukturális szintjei Fa (0,1-1m) Szelvényáru mm Évgyőrőszélesség: mm Sejtfal 1-5µm Tracheidák :20-40µm Molekulák:<1nm Mikrofibrillák: 3 10nm (University of Canterbury, New Zealand)

5 15mm Sejtfal 1-5µm Tracheidák :20-40µm

8 A fa mint biopolimer (O. Faix, Hamburg) Nano (micro) pórusok

9 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.

gombaállóság növelése Sejtfalban keresztkapcsolatok (fa-fa kötések) kialakulása, ami a mikropórusok nyitását gátolja (pl. nedvesség hatása). Ált.

10 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

Az anyag viselkedése csak ennek ismeretében érthetı meg.

11 A cellulóz 40-50% os arány a) β-d glükopiranóz b) Cellobióz c) Glükopiranóz váz d) Glükopiranóz egységek lineáris elrendezıdése

12 A cellulóz Polimerizációs foka faanyagnál Cellulózláncok H-hidas kötésekkel mikrofibrillákká kapcsolódnak össze Kristályos és amorf részekkel Mikrofibrillák kristályos jellege erısebb, ezért a hınek ellenáll.

13 A hemicellulózok A hemicellulóz molekuláris felépítése (O-acetil galaktoglükomannán)

14 A hemicellulózok Poliszaharidok, akárcsak a cellulóz, de számos cukoregységbıl épülnek fel Polimerizációs fok: 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.

részek A cellulóz gerincszerkezetével szemben elágazó cukrok.

15 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 hemicellulózok H-hidas kötéseket létesítenek a mikrofibrillákkal és kovalens kötéseket a lignin mátrixszal.

16 Fenyık ligninjének molekuláris szerkezete A lignin

17 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 lignifikáció random jellegő polimerizációs folyamat, eredménye

18 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.

19 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).

az extraktanyagok kimosódása a kezelı közegbe meghamisítja a

20 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).

Molekuláris szinten az OH-csoportok befolyásolják leginkább a faanyag tulajdonságait.

21 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)!!!)

22 Fa-víz kapcsolatok Egyensúlyi fanedvesség (EMC) Modifikált faminta nedvességtartalma (fa+modifikátor). EMC (%) = [(M 2 -M 1 )/M 1 ]x100 EMC Reduced (%) = [(M 2 -M 1 )/M 0 ]x100, ahol M 2 modifikált faminta nedves tömege M 1 modifikált faminta absz. száraz tömege M 0 faminta absz. száraz tömege modifikálás elıtt

23 Fa-víz kapcsolatok A tömegnövekedés (WPG) hatása az EMC-re a kémialag módosított faanyag esetén

24 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(%) = [(Zs nat - Zs mod )/ Zs nat ]x100 /sugár, húr és térfogatra is számítható/ /értéke függhet attól, hogy milyen nedvességtartományban határozták meg, és a próbatestek méretétıl is!!!

25 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!

26 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

27 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

28 Modifikált faanyag mechanikai Nedvességfüggı tulajdonságai 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

29 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)

30 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

31 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.

32 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).

33 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).

34 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..

35 Megtörtént a modifikálás? Ellenırzés? Kémiai modifikálásnál az ágens felvétele mérvadó. WPG(%) = [(M mod - M nat )/M mod ]x100 M mod modifikált faanyag absz. száraz tömege M nat natúr faanyag absz. száraz tömege Hıkezelésnél: színváltozás mérvadó

36 Köszönöm a figyelmet!

Hasonló dokumentumok

Faanyagok modifikációja_04

Faanyagok modifikációja_04 Egyéb vegyületek hatásai (reakciók + technológiák + termékek) Dr. Németh Róbert, NymE Faipari Mérnöki Kar, Sopron, Faanyagtudományi Intézet, 2009. nemethr@fmk.nyme.hu Bevezetés