A faanyag kémiai átalakulása / átalakítása

Átírás

1 A faanyag kémiai átalakulása / átalakítása - Spontán vagy technológiai folyamatok (módosulás / módosítás) 1. A faanyag degradációjának (termikus, fényhatás, enzimatikus) kémiai vizsgálata, kiküszöbölése, alkalmazása 2. A fa mint nyersanyag jobb hasznosíthatósága: A faanyag célszerű modifikálása

2 A faanyag degradációja A hő hatása a faanyagra A fény hatása a faanyagra Az enzimek hatása a faanyagra Atmoszféra hatása: - Inert atmoszférában (pl. N 2, Argon, vákuum). Elsősorban termikus bomlásfolyamatok. - Oxigén ill. levegő jelenlétében: oxidációs reakciók (főleg magas hőmérsékleten) - Vízgőz jelenlétében: hidrolítikus folyamatok (reakció vízzel, az első- vagy másodlagos kötéseken keresztül).

3 A hő hatása a faanyagra o C alatt: főleg a vízzel összefüggő folyamatok. A fa mint egységes rendszer reagál. Főleg színváltozás o C: főleg a járulékos anyagok átalakulása, mind oxidativ, mind inert atmoszférában. Világosság csökken, a színezet a pirosas tartomány felé tolódik el. Hemicellulózok bomlása megkezdődik. Kompaktabb, hidrofób szerkezet o C Inert atmoszférában: A legintenzívebb változások. Tömegcsökkenés 230 o C-tól indul és 400 o C-ig két lépésben megy végbe. Első lépés: hemicellulózok bomlása. Második lépés összetett. 380 o C: a bomlástermékek (szabad gyökök) polimerizációja. Gyökök jelentősége a termikus bomlásfolyamatokban: stabil gyökök jelenléte/keletkezése gátolja a termikus bomlást, az instabil gyökök gyorsítják. A fafajok összetétele fontos ebből a szempontból (ld. járulékos anyagok stabil gyökképző szerepe). Inert atmoszférában 400 o C felett: Pirolízis. Termékek: metanol, metán, szénmonoxid, hidrogén, faszén. Reduktív környezet. Falépárlás (fagáz + kátrány + faszén).

4

5 A hő hatása a faanyagra o C Oxidatív atmoszférában: intenzív termikus bomlás 280 o C felett, 350 o C-nál maximális sebességgel megy a bomlás. Jelentős mennyiségű gáz képződése. Nem kondenzálódó, illékony anyagok, gázok, gyökök keletkezése. Gyökök jelenléte: gyökös láncreakció kialakulása -> égés. Gyulladási hőmérséklet: o C. Öngyulladási hőmérséklet: o C. Az égés során végbemenő gyökös láncreakció.

6 Fakomponensek bomlása hő hatására - A cellulóz hőbomlása Két lépésben játszódik le: 1. cellulóz depolimerizációja 300 o C alatt (DP ig). 2. cellulóz degradációja 300 o C alatt lassú, majd 390 o C-ig játszódik le teljes mértékben. Homolitikus (gyökös) és heterolitikus (ionos) folyamatokban is végbemehet. Első lépés: glikozidos kötés felhasadása az O és a C atomok közt. Termékek: cukoranhidridek, furánés piránszármazékok, melyek később kondenzálódhatnak és a faszenet felépítik.

7 Fakomponensek bomlása hő hatására - A cellulóz hőbomlása

8 Fakomponensek bomlása hő hatására - A hemicellulózok hőbomlása Kisebb részarány, mégis jelentős szerep. Termikusan instabilabb mint a cellulóz. Két bomlási szakasz o C: lassú bomlás o C gyors bomlás. 290 o C. Bomlástermékek polimerizációja. Fafajtól függően a bomlás kezdete más és más. (keményfaxilán: 200 o C, glükurono-xilán: o C). Fafajok eltérő viselkedése hőkezelés hatására. Bomlástermékek: monoszacharidok (egyszerű cukrok), majd azokból furfurol (pentózokból), illetve metil-furfurol (hexózokból). Másodfajú átalakulás

9 Fakomponensek bomlása hő hatására - A lignin hőbomlása A lignin bonyolult felépítése miatt függ a lignin izolálási módjától. Savlignin: savas kioldással kapott lignin, MWL: őrölt fából dioxános kioldással kapott lignin. Termostabilizáló hatás. Termostabilabb, mint a cellulóz, hemicellulóz, mivel bomlása során stabil gyökök képződnek, melyek gátolják a fa további bomlási (depolimerizációs folyamatait). A termikus bomlásfolyamat végén visszamaradó szén-lignin nagyrészt aromás jellegű.

10 Fakomponensek bomlása hő hatására - A járulékos anyagok szerepe Befolyásoló hatásuk a gyökképződés fokozásán / gátlásán alapszik. Aromás szerkezetűek (polifenolok) mérsékelt hőmérsékleten ( o C) stabilizálják a fát a hőhatás ellen mind oxidatív, mind inert atmoszférában. Stabil gyökképzők: a depolimerizációs folyamatok gátlói (inhibítorai). Terpének, olajok, gyanták (főleg oxidatív atmoszférában) gyökiniciátorok, instabil gyököket képeznek, gyulladáspont csökkentők.

11 A fény hatása a faanyagra - Legjellemzőbb a napsugárzás. Összetevői: ultraibolya (UV, nm) + látható (VIS, nm) + infravörös (IR nm) sugárzás. - A sugárzás elnyelődését a molekuláris szerzetet (kötésrendszer) jellege határozza meg. Kromofór csoportok jellege, száma (koncentrációja). Ezen túl a felület érdessége, fa nedvességtartalma, besugárzás iránya, fafaj, morfológiai egység (korai / késői pászta). Fényvisszaverés a fa felületéről 275 nm fenolos-oh (lignin, polifenolok) UV VIS

12 A fény hatása a faanyagra - A fény behatolása a faanyagba: mm-mélységig, hullámhossztól függően: ezért csak a felület tulajdonságainak az átalakulását eredményezheti. UV IR

13 A fény hatása a faanyagra A faanyag színe VIS - Színinger-jellemzők megadása Lab színingerjellemző rendszerben. L x : világosság a x, b x : színkoordináták h abo : színezeti szög színezet L x színezet Telítettség L x = 25% L x = 75% A faanyag színe a sárga-piros térnegyedbe esik. A színkoordináták helyett a színezeti szög megadása: h abo = arctg (a x / b x )

14 A fény hatása a faanyagra A faanyag színe

15 A fény hatása a faanyagra - A faanyag színváltozása A napsugárzás-, illetve a napsugárzásnak megfelelő hullámhossz-összetételű fénnyel igénybe véve jelentős színváltozás tapasztalható.

16 A fény hatása a faanyagra Más jellegű a járulékos anyagokat is tartalmazó fák színváltozása mint az extraktanyagokat nem, vagy csak kis mennyiségben tartalmazó fafajoké A magas extrakttartalmú fákban a járulékos anyagok színváltozását okozó kémiai folyamatok gyorsan lejátszódnak. A kialakuló vegyületek azonban megvédik a fát a további degradációtól. Extraktmentes fáknál viszont rögtön megindul a lignin kisebb színváltozási sebességű, de folyamatos fotodegradációja.

17 A termikus kezelés hatása a faanyag színére - A fák színe jelentős mértékben o C között változik. - Termikus kezelés hatására a faanyagok világosságcsökkenése mellett a színezet a vöröses árnyalatok felé tolódik el. - Oxidatív atmoszféra a kezdeti színeltolódás sebességét csökkenti, mert az oxigén jelenlétében stabil gyökök keletkeznek. Inert atmoszférában a kezdeti színeltolódás sebessége nagyobb, mert több kromofór csoport keletkezik. T a kezelési hőmérséklet függvényében.

18 A fakomponensek kémiai átalakulása fény hatására - A cellulóz és a hemicellulózok fotodegradációja UV VIS - A cellulózban és a hemicellulózban csak a nagyon rövid hullámhosszúságú UV sugárzás tud csak kötéseket felhasítani (ti. ott van csak jelentősebb abszorbancia). - Cellulózban a 340 nm-nél nagyobb hullámhosszú fény hatására csak oxigén jelenlétében indul meg degradáció. - Gyorsabb a gyökképződés oxigén jelenlétében 280 nm-nél rövidebb hullámhosszú fénysugárzás esetében. A cellulóz napfény hatására csak kismértékben degradálódik. Fémionok gyorsítják a folyamatokat. A hemicellulózok a cellulózhoz hasonlóan viselkednek.

19 A fakomponensek kémiai átalakulása fény hatására - A lignin fotodegradációja UV VIS - A lignin csak 350 nm-nél rövidebb hullámhosszú fényre érzékeny. Gyökképzési folyamat fő forrása a fenolos OH csoport átalakulása fenoxigyökké. 275 nm fenolos-oh (lignin, polifenolok) fenoxi-gyök Színes termékek. (konjugált kettőkötésű rendszert tartalmaznek, mely kémiai feltétele, annak hogy a molekula látható tartományban fényt nyeljen el, tehát színe legyen.)

20 A fakomponensek kémiai átalakulása fény hatására - A lignin fotodegradációja A lignin fotodegradációja során keletkező kromofórok (színes termékek), polimerek, illetve gyökök relative stabilak, ezért védik a faanyag egészét a fotodegradáció (a napsugárzás) ellen.

21 A fakomponensek kémiai átalakulása fény hatására - A járulékos faalkotórészek fotodegradációja UV VIS - Relative kis mennyiségben vannak jelen, de a fény hatására bekövetkező változásokban, így elsősorban a fa színének alakulásában fontos szerepet töltenek be. - A polifenolok (tanninok, lignolok, stb.) átalakulásai alapjában hasonlóak a ligninekéhez. Gyökös mechanizmusú átalakulás: 1, Kinoidális szerkezetű színes termék keletkezése. 2, Gyökök polimerizációja nagy molekulatömegű polimerré. 3, A kinoidális szerkezetű termékek, illetve a polimerek további oxidációja színtelen termékekké. A polifenolokból kialakuló viszonylag stabli gyökök, ill. színes vegyületek a gyökös mechanizmusú folyamatok inhibeálásán illetve a fényabszorpción keresztül jelentősen védik a lignint, s így a teljes faanyag rendszert a fotodegradációtól.

22

23 A fakomponensek kémiai átalakulása fény hatására - A járulékos faalkotórészek fotodegradációja UV VIS - Relative kis mennyiségben vannak jelen, de a fény hatására bekövetkező változásokban, így elsősorban a fa színének alakulásában fontos szerepet töltenek be. - A fény hatására a terpének, gyanták, olajok kettős kötéseiken keresztül oxidálódnak. Hidroperoxidok képződése. Instabil gyökök képződése, melyeknek nincs fényvédő hatásuk.

24 A faanyag elszíneződése egyéb külső hatásokra - Elszíneződés savak és lúgok hatására - Elszíneződés vas és egyéb fémionok hatására - Elszíneződés redoxirendszerek hatására - Elszíneződés mikroorganizmusok és enzimrendszerek hatására

25 A faanyag és komponenseinek enzimreakciói - Az enzimreakciók általános jellemzése - Enzimek felépítése és osztályozás (oxidoreduktázok, transzferázok, hidrolázok, liázok, izomerázok, ligázok. Besorolás: E.C. szám alapján) - A cellulózbontás enzimei (cellulázok, cellulóz-dehidrogenáz, glükozidázok, cellobióz-oxidáz, glükóz-oxidáz) - Hemicellulóz bontó enzimek (hemicellulázok, xilanázok, galaktozidázok) - Ligninázok (peroxidáz, lakkáz) - Faanyag enzimatikus degradációja -Barnakorhadás -Fehérkorhadás -Lágykorhadás -Kékülést okozó gombák Enzimrendszerek gyakorlati hasznosítása a faanyag feldolgozása során - Cellulózbontó enzimek alkalmazási lehetőségei - Hemicellulózbontó enzimek alkalmazási lehetőségei - Ligninbontó enzimek alkalmazási lehetőségei

26 A faanyag modifikációja Olyan módosító eljárás, mely megváltoztatja a faanyag összetételét azzal a céllal, hogy a felhasználás szempontjából a faanyag előnyös, új tulajdonságokra tegyen szert és ezzel alkalmazási területét szélesítse, új termékek előállítását biztosítsa. (Bosshard, 1984) A modifikáció célja: - Faanyag biotikus károsítókkal szembeni tartósságának javítása - Mechanikai tulajdonságok javítása - Vízadszorpció (higroszkópikusság) csökkentése - Méretstabilitás (duzzadás, zsugorodás) javítása. - Szín, színtartósság javítása, stabilizálása - UV degradáció visszaszorítása - Égéskésleltetési tulajdonságok javítása A modifikációs eljárás során jelentős változások mennek végbe a fa kémiai összetételében, fizikai szerkezetében. Ez alapján a kívánt tulajdonság kialakítható.

27 A faanyag modifikációja Faanyag modifikáció Kémiai modifikáció Fizikai és hidro-termomechanikai kezelés. Radikális beavatkozás. A cellulóz kristályos szerkezetének és ezzel a fa felépítésének megbontása A kristályos szerkezet ép marad, kisebb módosulások az amorf részekben vagy az oldalláncokban. Hajlítás, alakítás Tömörítés: TM- THM - VTC -plasztifikálás Hőkezelés Fa pökölése Termofa Plato-eljárás Fa hegesztése Fafelület tömörítése, termoplasztifikálás nitrocellulóz A sejtüreg kitöltése A sejtüregek kitöltése és a faanyag modifikációja A sejtfal modifikációja cseppfolyósítás A sejtüregek belső felületének kitöltése Észterezés Lignin, cellulóz extakciója A sejfal impregnálása polimerekkel, fémolvadékkal Éterezés Textil, szál, rost, hab, ragasztó készítése A faanyag modifikációs eljárások áttekintése

28 A faanyag modifikációja Főbb famodifikációs eljárások és hatásmechanizmusaik (Krause, 2003)

29 A faanyag modifikációja Hatásmechanizmusok: - Sejtüregek kitöltése - A sejtfal kitöltése - OH-csoportok reakcióba vonása - OH-csoportok összekapcsolása - Sejtfalszerkezet módosítása OH csoportok szerepe: A legtöbb modifikációs eljárás ezeken keresztül valósul meg valamilyen módon... Mennyiségük befolyásolja a vízadszorpciót (ezáltal a gombaállóságot is) és a faanyag méretstabilitását. Cél a modifikáció során számuk csökkentése. Hemicellulóztartalom szerepe: gombák által könnyen hozzáférhető. Cél a mennyiségük csökkentése. (Hátrány: mechanikai tulajdonságok romlanak )

30 A faanyag modifikációja Főbb kémiai modifikációs eljárások - A faanyag észterezési reakciói (acetilezés ecetsavanhidriddel, keténnel, savkloriddal) - A faanyag éterezési reakciói (benzil-kloriddal, akrilnitrillel, formaldehiddel, epoxivegyülettel) - Furfurilezés (furfuril-alkohollal. Komplex reakciók) - N-metilol-DMDHEU (Dimetilol-dihidroxil-etilén-karbamid) - Reaktiv olajos kezelés (lenolajjal) - Sejtfal impregnálása

31 A faanyag észterezési reakciói A faanyag modifikációja Észterezés. A: ecetsavanhidriddel, B: keténnel, C: dikarbonsav-anhidriddel Legjelentősebb: acetilezés. Kísérletek már a 20. század elejétől. Ecetsavanhidrides acetilezés az egyik leghatékonyabb famodifikációs eljárás napjainkig. Előnyök: biotikus kárósítókkal szembeni tartósság javul; dimenzióstabilitás 75%-al javul; csökken a higroszkópikusság; szilárdsági paraméterek nem változnak; UV-stabilitás kitűnő, jól festhető.

32 A faanyag éterezési reakciói A faanyag modifikációja Éterezés. A: benzil-kloriddal, B: allil-halogeniddel, C: akrilnitrillel, D: formaldehiddel, E: epoxivegyülettel Az éterezett faanyag termoplaszticitása (melegítés hatására tapasztalható alakíthatóság) megnő. Előnyök: benzilezett fa hőre lágyuló anyag: nagy tömörségű és vízállóságú lapok készítése; allilezett és akril-nitrilezett fa: öntapadó faanyagfelület kialakítása; éterképzés formaldehiddel: térhálósított szerkezet kialakulása: merev, rugalmatlan faanyag, jobb akusztikai és méretstabilitási tulajdonságok; éterezés epoxidokkal: 20-30%-al jobb méretstabilitás, jobb biológiai ellenállóképesség.

33 A faanyag modifikációja A faanyag furfurilezése Kezelés furfuril-alkohollal. - Kitűnő dimenzióstabilitási paraméterek - Jó tartósság - Ellenálló savakkal, lúgokkal szemben - Furfuril-alkohol előállítása furfurolból (megújuló nyersanyagforrás) - A furfuril-alkohol savas közegben végbemenő polimerizációja egy sokszorosan elágazó térhálós szerkezetű furán-polimert eredményez, mely a sejtfal polimerjeihez kapcsolódik.

34 A faanyag modifikációja - Kezelés N-metilol-DMDHEU (Dimetilol-dihidroxil-etilén-karbamid)-al - DMDHEU: eredetileg textilipari felhasználás: gyűrődésgátló adalék. - A lignin és a hemicellulóz OH csoportjaival reagál, de képes önmagával is összetett (térhálós) polimerré polimerizálódni. - Probléma: formaldehid felszabadulás. - Reaktív olajos kezelés - Módosított lenolajjal történő kezelés megemelt hőmérsékleten. - Jelentősen javul a tartósság, szilárdsági paraméterek nem változnak - Könnyen kivitelezhető, olcsó. Jelentős ipari potenciál.

35 A faanyag modifikációja - Sejtfal impregnálása - A sejtfalat kis molekulatömegű prekurzorokkal vonják be - Polimerizálják őket (általában hő hatására) - A polimer a sejtfal-mátrixba ágyazódik, nem lehet vízzel kioldani. - A polimer helyet foglal el a sejtfalban, mely ennek hatására megduzzad - A faanyagnak vízvezető-képesnek kell maradnia környezetvédelmi okokból kifolyólag. - A polimerizációs reakcióban részt vehet a sejtfal anyaga is, de ez nem feltétlenül szükséges. Tulajdonságok Az impregnálószer a sejtfal üregeit kitölti A fa megduzzad (dimenzióstabilitás) A vízmolekulák számára kevesebb tér áll rendelkezésre (csökken a sejtfal egyensúlyi nedvességtartalma) A sejtfal mikropórusai eltömődnek. Javul a tartósság.

36 A faanyag modifikációja Fizikai és hidrotermomechanikai kezelés - Termikus modifikáció - Plasztifikálás - Thermowood : Az elsőként kereskedelmi forgalomba hozott termikusan módosított faanyag. - PLATO wood: háromlépcsős kezelési eljárás. 1: C-on hidrotermolízis 8-10bar nyomáson autoklávban, 2: nettó 10%-os fanedvességre szárítják a faanyagot vízfürdő felett, 3: keményítés következik száraz levegőben C-on, légköri nyomáson. - Thermoholz : faanyag kezelése C-on, normál légköri nyomáson, 2-20 órán át. - Retified Wood : 12%-ra előszárított faanyag kezelése N 2 gázban C-on. - Perdue Wood: 12-14%-ra szárított faanyag kezelése 6-8 órán át 230 C-os g őzatmoszférában. - Plazma-felületkezelés: gázplazma segítségével kezelt fafelület,ragasztási ill. felületkezelési eljárások hatékonyságának növelésére használják. - Faanyag tömörítése, plasztifikálása, gőzölése

37 A faanyag modifikációja Termikus modifikáció jellemzői: - Első kísérletek: Első kereskedelmi forgalomba hozott termék: Thermowood, Kereslet egyre növekszik m 3 / év A hőkezelt fa előállítási volumenének alakulása (2008: m 3 ) 2011

38 A faanyag modifikációja Termikusan modifikált faanyag jellemzői: o C-os tartományban kivitelezik - Elsősorban a hemicellulózok degradációjával jár - A fa törékenyebb lesz (veszt a szilárdságából) - A fa enyhén savas lesz (ecetsav felszabadulása a hemicellulózól) - Jelentősen javul a dimenzióstabilitás - Jelentősen javul az ellenállóság (gomba, rovar) - A kezelés az egész fára kiterjed, nem csak a felületre - Alacsony egyensúlyi nedvességtartalom - Színstabilitás, színhomogenizálás A Thermowood menetrend

39 Termikusan modifikált faanyag jellemzői A faanyag modifikációja - Problémák: - Kondenzvizek nagy tömegben keletkeznek (erősen savas!) - Gyártóeszközök fokozott korróziója - Faanyag összetétele technológiától függően változik: bomlástermékek eltávolítása a faanyagból, faanyag szellőztetése. - A hemicellulóz bomlása során jelentős mennyiségű furfurol, metil-furfurol, és cukor keletkezik. A ligninből kismolekulatömegű aromás származékok keletkezhetnek. Kondenzvíz gázkromatogáfiás vizsgálata.

40 A faanyag modifikációja Termikusan modifikált faanyag jellemzői A termofa előállítása során keletkezett kondenzvíz vékonyréteg kromtográfiás vizsgálata. Polifenolok elválasztása a kondenzvizekből.

41 Termikusan modifikált faanyag jellemzői A faanyag modifikációja Termikusan modifikált bükk minták gőztéranalízise GC-MS segítségével. 1: hangyasav, 2: ecetsav, 3: propionsav, 4: furfurol, 5: 5-methyl-furfurol, 6: gvajakol. Termikusan modifikált duglaszfenyő minták gőztéranalízise GC-MS segítségével. 1: ecetsav, 2: propionsav, 3: furfurol, 4: 1-(2-furanyl)-ethanone, 5: α- pinén, 6: 5-methyl-furfurol, 7: para-cimén.

42 A faanyag modifikációja Termikusan modifikált faanyag jellemzői Cukrok rétegkromatográfiás elválasztása különböző termofamintákból melyek a kezelés különböző szakaszaiból (0: I szakasz, 2: II szakasz, 3: III szakasz) származnak. Rh: ramnóz, Xil: xilóz, Ara: arabinóz, Fr: fruktóz, Gl: glükóz, Gal: galaktóz, Suc: szacharóz, Gla: glükuronsav, Gaa: galakturonsav, Raf: raffinóz, Sta: sztachióz. DK:duglasz geszt, DS: duglasz szíjács, Fi: lucfenyő, Fk: erdeifenyő geszt, Fs: erdeifenyő szíjács, Bu: bükk, AH: juhar, Es: kőris.

43 A faanyag modifikációja A faanyag tömörítése, formázása (hidro-termo-mechanikai modifikáció): - Az elemek előkészítése és kondícionálása magas hőmérsékleten gőz alkalmazásával, vagy anélkül (H-hidas szerkezet kialakítása a lignin és szénhidrát részek között, lignin plasztikussá tétele). Összességében a fa plaszticitása nő. - Formázás magas nyomáson (10 30 MPa) - Utókezelés magas hőmérsékleten (~ 200 o C), víztartalom eltávolítása.