Ацетилированная древесина
Ацетилированная древесина — это вид модифицированной древесины , которая производится путем химической модификации и не содержит токсичных веществ. [1] Он производится в результате химической реакции (называемой ацетилированием ), включающей уксусный ангидрид и процесс модификации, позволяющий сделать древесину очень устойчивой к биологическому воздействию грибов и насекомых-древоточцев, а также устойчивой к условиям окружающей среды. [2] [3] Это новый продукт из древесины в области науки о дереве , созданный в результате десятилетий исследований и экспериментов.
Химическая модификация происходит посредством реакции полимеров древесины, особенно свободных гидроксильных групп, присутствующих в лигнине и гемицеллюлозе, без необходимости использования катализатора, образуя связи между ними. Используемые вещества, такие как ангидриды, модифицируют структурные компоненты древесины, не оставляя токсичных остатков. примерно 80-90% гидроксильных (-OH) групп Этот процесс предотвращает образование водородных связей с молекулами воды, эффективно «запирая» клеточные стенки с материалом. Используемые химические реагенты нетоксичны, а возможность переработки и утилизации ацетилированной древесины может быть реализована без каких-либо ограничений. [4]
Ацетилированная древесина отличается очень светлым цветом и высокой прочностью. [5] и сильные гидрофобные свойства, как показали различные исследования. [6] [7] [8] Эта древесина подходит для наружных деревянных конструкций, [9] а также наружные полы и палубы. В основном его производят из древесины сосны ( сосна лучистая ), хотя иногда по этой технологии используют и бук. Ацетилированная древесина имеет минимальное поглощение влаги, что значительно повышает стабильность размеров и естественную эластичность. [10]
Развитие технологии
[ редактировать ]Первый патент на ацетилирование древесины был подан в 1930 году австрийским химиком Х. Суидой. [11] Дальнейшие фундаментальные исследования проводились в Соединенных Штатах в Лаборатории лесных товаров исследователями Альфредом Дж. Стаммом и Гарольдом Тарковым в 1940-х годах. [12]
Основным материалом для ацетилированной древесины является материал, содержащий лигноцеллюлозу. Поскольку целью ацетилирования древесины является получение прочной древесины для использования на открытом воздухе, предпочтительным материалом обычно является древесина, которая обычно содержит лигнин и целлюлозу. Ацетилирование обычно проводят с использованием уксусного ангидрида в специализированных реакторах из нержавеющей стали. Учитывая, что уксусная кислота разлагается при контакте с добавленным уксусным ангидридом, влажность сырья существенно влияет на расход уксусного ангидрида. Поэтому выгодно использовать максимально сухое сырье (2-4%). По сути, ацетилированию можно подвергнуть любую древесину. Однако, поскольку каждый тип древесины ведет себя во время ацетилирования по-разному, для достижения желаемых свойств продукта необходимо адаптировать процесс в соответствии с конкретным типом древесины.
Производственный процесс
[ редактировать ]
Процесс начинается с введения в древесное сырье химических реагентов и введения раствора уксусного ангидрида. Раствор можно вводить под вакуумом, избыточным давлением или при атмосферном давлении .
Процесс ацетилирования древесины включает пропитку древесины раствором уксусного ангидрида под давлением или в вакууме, нагревание раствора и древесины и достижение температуры около 120 ° C, чтобы обеспечить фактическую реакцию ацетилирования между древесиной и реагентом. Избыток раствора уксусного ангидрида, не поглощенный древесиной, можно удалить либо до, либо после реакции ацетилирования. Для извлечения непрореагировавшего уксусного ангидрида и полученной уксусной кислоты из древесины проводится заключительный этап, включающий перегонку с водой или паром, чтобы гарантировать, что древесина по существу свободна от уксусного ангидрида и уксусной кислоты. Этот шаг предназначен главным образом для предотвращения выделения запахов уксусной кислоты из конечного продукта в окружающую среду, что нежелательно. Раствор, полученный в результате обезвоживания, вакуумной экстракции и последующей обработки, собирают и разделяют. Весь производственный процесс занимает много времени. [13]
Степень ацетилирования
[ редактировать ]Для достижения успешных результатов степень ацетилирования (т.е. содержание ацетила) необходимо оценивать различными методами. Для высокопрочной древесины требуется минимальная степень ацетилирования не менее 20–22%. Благодаря включению ацетильных групп, подобных молекулам воды, вызывающих набухание древесины, увеличение объема может служить показателем степени ацетилирования. С другой стороны, процентное увеличение веса, известное как WPG (процент увеличения веса), можно использовать после ацетилирования. Это также позволяет сделать выводы о количестве безводной щавелевой кислоты, которая в конечном итоге химически связывается с древесиной в клеточных стенках.
Дополнительные параметры, которые можно использовать для оценки степени ацетилирования, включают устойчивость к выщелачиванию водой, электропроводность или такие методы, как анализ ВЭЖХ или спектрофотометрия. [13]
Свойства и характеристики
[ редактировать ]Ацетилирование навсегда изменяет химический состав древесины. Такая химическая модификация положительно влияет на различные механические и физические свойства, а также на устойчивость древесины к насекомым и микроорганизмам, разрушающим ее.
В зависимости от типа древесины и степени модификации ацетилирование обычно приводит к обесцвечиванию древесины и увеличению ее плотности и твердости. [14] В зависимости от уровня постобработки конечное изделие из древесины может иметь более или менее выраженный запах уксусной кислоты, легко обнаруживаемый при резке.
Водопоглощение
[ редактировать ]Во время процесса ацетилирования гидрофильные гидроксильные группы в полимерной структуре клеточных стенок древесины химически реагируют с образованием высокогидрофобных ацетоксигрупп. В результате гидрофобная природа древесины значительно ограничивает ее способность поглощать или выделять воду. Это означает, что ацетилированная древесина имеет гораздо более низкое равновесное содержание влаги по сравнению с натуральной неацетилированной древесиной.
Максимальное равновесное содержание влаги в обычной древесине обычно составляет около 30% (обычно это называется точкой насыщения волокна древесины), в то время как древесина, подвергшаяся обработке ацетилированием (с WPG 20%), имеет конечное равновесное содержание влаги всего 10%. 12%. Кроме того, скорость поглощения воды значительно снижается в процессе ацетилирования. [15]
Стабильность размеров
[ редактировать ]Замена гидрофильных гидроксильных групп в полимерной структуре клеточных стенок древесины, например, целлюлозы, лигнина, гемицеллюлозы, гидрофобными ацетильными группами также положительно влияет на ее размерную стабильность. Это относится к способности древесины сохранять свои размеры в изменяющихся климатических условиях. Ацетилированная древесина демонстрирует примерно на 70–80% большую стабильность размеров по сравнению с необработанной натуральной древесиной. Следовательно, он испытывает значительно меньшее набухание и усадку. [16]
Биологическая устойчивость
[ редактировать ]Ацетилирование повышает биологическую (естественную) стойкость древесины. Значительно повышается его устойчивость к гниению грибками, насекомыми и другими факторами.Снижение максимального равновесного содержания влаги в ацетилированной древесине до диапазона 10-20% предотвращает минимальную влажность, необходимую для роста грибов. Кроме того, молекулярные структуры клеточной стенки, которые легко разрушаются грибами, изменяются при ацетилировании таким образом, что грибковые гифы больше не могут проникать через пористую клеточную стенку и разрушать ее.
Устойчивость к атмосферным воздействиям
[ редактировать ]Различные породы древесины могут быть полностью защищены от коричневой, белой или мягкой гнили посредством ацетилирования и повышены до самого высокого класса устойчивости, класса 1, например, исключительно прочные тропические породы, такие как тик, мербау, азобе и ироко. Ацетилирование также может улучшить устойчивость древесины к гниению, вызываемому бактериями и термитами. [15]
Устойчивость к условиям окружающей среды
[ редактировать ]Помимо гниения древесины, вызванного грибками, древесина, подвергающаяся воздействию солнечного света, дождя, града и снега, подвергается фотохимическому разложению и постепенному разложению. На деревянной поверхности, подвергающейся воздействию солнечного света, медленно и постепенно образуются низкомолекулярные продукты разложения в результате фотоокислительных реакций, в первую очередь под действием ультрафиолетового излучения.Эти продукты разложения со временем смываются дождем, что приводит либо к обесцвечиванию древесины и изменению структуры поверхности, либо к появлению локальных темных пятен.
Поскольку ацетилированная древесина имеет гораздо более низкое равновесное содержание влаги, чем необработанная древесина, продукты разложения смываются медленнее. Кроме того, фотоокислительная деградация ацетилированных полимеров древесины происходит медленнее. Ацетилирование не может остановить процесс фотохимической деструкции древесины, но может существенно замедлить его. [15] Недавние исследования показали, что ацетилированную древесину лучше всего обрабатывать отделкой поверхности или даже красками. [17]
Промышленные производители
[ редактировать ]Компания Accsys Technologies, базирующаяся в Лондоне (ранее Titan Wood), изначально была единственной отраслью, производящей ацетилированную древесину. В 2007 году производство этого продукта в более крупных масштабах началось с использованием сосны лучистой ( Pinus radiata ), поставляемой из Австралии и Новой Зеландии, под торговой маркой Accoya на производственных мощностях компании в Арнеме, в Нидерландах. [18]
Американская компания Eastman Chemical также какое-то время производила ацетилированную древесину, но прекратила производство по неизвестным причинам в 2014 году. [3]
Виды модифицированной древесины
[ редактировать ]- Фурфурилированная древесина ( кебони ), которая также производится из лучистой сосны, но также может быть получена из американской южной желтой сосны и ясеня. [19]
- Термически модифицированная древесина – древесина, подвергнутая термической модификации в печи без использования химикатов.
- Пропитанная древесина, то есть древесина, обработанная защитными химическими составами под давлением.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Роджер М. Роуэлл : Ацетилирование древесины (2006) [11]
- Хольгер Милитц : Обзорный отчет - Ацетилированная древесина - (Научные и технологические основы, материалы, экономические возможности и ограничения, текущий статус реализации). SGD Южный научно-исследовательский институт лесного хозяйства Рейнланд-Пфальц, 2011. Интернет на: FAWF.Wald-RLP.de, получено 6 января 2014 г., PDF; 915 КБ, Ульф Ломанн: Лексикон древесины. 4-е издание. Никол Верлагсгезельшафт, Гамбург, 2010 г., ISBN 978-3-86820-086-7.
- Каллум А.С. Хилл: Модификация древесины: химические, термические и другие процессы. Уайли 2006, ISBN 0-470-02172-1. ** Фукс, В. (1928). О знании настоящего лигнина, I.: Ацетилирование еловой древесины. Отчеты Немецкого химического общества, 61(5), 948–951.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сэндберг, Дик; Кутнар, Андрея; Мантанис , Джордж (01 декабря 2017 г.). «Технологии модификации древесины – обзор» . iForest . 10 : 895–908. дои : 10.3832/ifor2380-010 . Проверено 8 ноября 2023 г.
- ^ Дизайн, Кастус (23 января 2019 г.). «Ацетилированная древесина, Ацетилированная древесина, нетоксичная обработка древесины» . Аккойя . Проверено 12 октября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б «Справочник Springer по науке и технологии древесины». Справочники Спрингера . Чам: Международное издательство Springer. 2023. с. 897. дои : 10.1007/978-3-030-81315-4 . ISBN 978-3-030-81314-7 . ISSN 2522-8692 .
- ^ Хольгер Милитц: Обзорный отчет - Ацетилированная древесина - (Научные и технологические основы, технология материалов, экономические возможности и ограничения, текущий статус реализации). SGD Южный научно-исследовательский институт леса Рейнланд-Пфальц, 2011 г., доступ осуществлен в августе 2023 г.
- ^ Мантанис, Джордж I .; Ликидис, Харалампос; Пападопулос, Антониос Н. (23 июля 2020 г.). «Долговечность древесины Accoya при испытаниях на опорах после 10 лет воздействия в Греции» . Полимеры . 12 (8). MDPI AG: 1638. doi : 10.3390/polym12081638 . ISSN 2073-4360 . ПМЦ 7465449 .
- ^ «(PDF) Ацетилирование древесины - путешествие от аналитической техники к коммерческой реальности» .
- ^ Пападопулос, Антониос Н. (1 апреля 2006 г.). «Пиридин-катализатор ацетилирования древесины сосны: влияние зрелой заболони на молодую древесину» . Хольц как Roh- und Werkstoff . 64 (2): 134–136. дои : 10.1007/s00107-005-0056-x . ISSN 1436-736X .
- ^ «Сопротивление гниению древесины, модифицированной уксусным ангидридом: обзор: International Wood Products Journal: Том 4, № 3» .
- ^ Мантанис , Джордж I.; Ликидис, Харалампос; Пападопулос, Антониос Н. (23 июля 2020 г.). «Долговечность древесины Accoya при испытаниях на опорах после 10 лет воздействия в Греции» . Полимеры . 12 (8). MDPI AG: 1638. doi : 10.3390/polym12081638 . ISSN 2073-4360 . ПМЦ 7465449 .
- ^ Хольгер Милитц: Обзорный отчет - Ацетилированная древесина - (Научные и технологические основы, технология материалов, экономические возможности и ограничения, текущий статус реализации). SGD Южный научно-исследовательский институт леса Рейнланд-Пфальц, 2011 г., доступ осуществлен в августе 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Роуэлл, Роджер М. (сентябрь 2006 г.). «Ацетилирование древесины» (PDF) . Лесные продукты . 56 (9): 4-12 . Проверено 25 декабря 2023 г.
- ^ Ибах, Ребекка Э.; Роуэлл, Роджер М. (24 февраля 2021 г.). «Лаборатория лесной продукции Министерства сельского хозяйства США: ацетилирование древесины 1945–1966» . Леса . 12 (3). MDPI AG: 260. doi : 10.3390/f12030260 . ISSN 1999-4907 .
- ^ Jump up to: а б Хольгер Милитц: Обзорный отчет - Ацетилированная древесина - (Научно-технические основы, технология материалов, экономические возможности и ограничения, текущий статус реализации). SGD Южный научно-исследовательский институт леса Рейнланд-Пфальц, 2011 г., данные получены в августе 2020 г.
- ^ Ульф Ломанн: Деревянный лексикон. 4-е издание. Никол Верлагсгезельшафт, Гамбург, 2010 г., ISBN 978-3-86820-086-7.
- ^ Jump up to: а б с Хольгер Милиц: Обзорный отчет - Ацетилированная древесина - (Научные и технологические основы, Материально-технические и экономические возможности и ограничения, Текущий статус реализации). SGD Süd-Forstliche Veruchsanstalt Rheinland-Pfalz, 2011 г., получено в августе 2020 г.
- ^ Хольгер Милиц: Обзорный отчет - Ацетилированная древесина - (Научные и технологические основы, Материально-технические и экономические возможности и ограничения, Текущий статус реализации). SGD Süd-Forstliche Veruchsanstalt Rheinland-Pfalz, 2011 г., получено в августе 2023 г.
- ^ https://unavita-accoya.com/wp-content/uploads/2019/08/Verwitterung-EN.pdf
- ^ Производственный процесс Accoya (английский). В: Accoya.com
- ^ Производственный процесс Кебони (английский). In: de.Kebony.com