Фурфурилированная древесина
Фурфурилированная древесина — конечный продукт обработки древесины фурфуриловым спиртом . Этот химический процесс еще называют фурфурилированием . Фурфурилирование — это коммерчески используемый процесс модификации древесины. [1] для улучшения физических, механических и биологических свойств древесины. В этом процессе, основанном на принципах науки о древесине , клеточные стенки древесины набухают под действием фурфурилового спирта, который полимеризуется внутри клеточных стенок . Такая обработка снижает водопоглощающую способность древесины, тем самым сводя к минимуму ее склонность к деформации при изменении влажности. Твердость и стойкость модифицированной древесины к гниению также улучшаются по сравнению с натуральной необработанной древесиной. Используемый фурфуриловый спирт получают гидрированием фурфурола . [2] из биологических остатков сельскохозяйственных отходов, таких как шелуха и жом .
Процесс
[ редактировать ]В процессе фурфурилирования стенки древесных клеток сначала набухают раствором на основе фурфурилового спирта. Благодаря своей полярности и размеру фурфуриловый спирт проникает через клеточную стенку. Полимеризация фурфурилового спирта в древесине — сложная реакция, процессы которой до конца не изучены. Неясно, реагирует ли фурфуриловый спирт и полимеризуется только сам с собой внутри клетки или он также реагирует с компонентами клеточной стенки, такими как целлюлоза или лигнин . [3] Полимеризованный фурфуриловый спирт внутри клетки делает древесину очень гидрофобной. [4]
История
[ редактировать ]Фурфурилирование древесины — это процесс, который впервые инициировал и исследовал Альфред Дж. Стамм в 1950-х годах в США, но его широкое распространение на рынке до сих пор ограничено. [5] Первое промышленное производство фурфурилированной древесины в США началось в 1960-х годах . [5] В 1980-х годах исследовательская группа под руководством профессора Марка Шнайдера в Канаде разработала двухэтапный процесс. Древесину сначала обрабатывали катализатором , а затем пропитывали фурфуриловым спиртом. Однако высокая стоимость двухэтапной пропитки не позволяла производить фурфурилированную древесину по востребованным рынком ценам. [6] В 1997 году была основана компания Wood Polymer Technologies ASA в Норвегии с целью построить пилотный завод для одностадийного производственного процесса. [7] С 2000 года фурфурилированная древесина продается в США и Европе. В 2004 году производственная мощность в Порсгрунне , Норвегия, составляла 3000 м3. 3 в год. К 2008 году мощность увеличилась до 25 000 м3. 3 в год. [8]
Производство
[ редактировать ]Для производства фурфурилированной древесины необходимы следующие этапы: [9]
- Хранение и смешивание пропиточного раствора : Примерно 40% фурфурилового спирта, воду, инициаторы полимеризации, катализаторы и поверхностно-активные вещества смешивают и затем сливают в резервуар для хранения.
- Пропитка : Древесина замачивается в сосуде под давлением в трехэтапном процессе. Сначала применяется вакуум для удаления оставшегося воздуха из древесины. На втором этапе древесина пропитывается раствором пропитки под давлением около 13 бар. Третий этап включает короткую фазу релаксации, во время которой сосуд доводится до атмосферного давления. Весь вакуумный резервуар можно наклонить на 5°, чтобы дать возможность стечь излишкам пропиточного раствора с досок. [10]
- Сушка и полимеризация : Пропитанная древесина сушится в вакуумных сушилках путем прямого нагрева паром. Благодаря высокой температуре кипения фурфурилового спирта (170°С) можно сначала осушить воду из древесины, а затем провести полимеризацию на второй более высокотемпературной стадии. Конденсат, образующийся при сушке, возвращается в пропиточный раствор для дальнейшего использования. [10]
- Последующая сушка : модифицированная древесина подвергается последующей сушке при умеренных температурах, чтобы минимизировать выбросы и установить окончательное содержание влаги. [9]
Для производства фурфурилированной древесины сосны лучистой ( Pinus radiata используется преимущественно древесина ), происходящей из Океании; другие используемые породы древесины включают южную желтую сосну из США и клен. [8]
Характеристики
[ редактировать ]Свойства модифицированной древесины сильно зависят от количества и концентрации введенного фурфурилового спирта. Вводимое количество фурфурилового спирта можно контролировать по доле фурфурилового спирта в водном пропиточном растворе. Таким образом, можно корректировать свойства модифицированной древесины.
При уровне загрузки 30–35 % твердость, вес, механические свойства, стабильность размеров, устойчивость к насекомым, грибкам и химическим веществам возрастают настолько, что изделие относят к 1 классу долговечности. [11] В результате процесса древесина значительно темнеет, особенно при высоком содержании фурфурилового спирта. Поэтому его продают и используют в качестве заменителя тропической древесины как по свойствам, так и по цвету. Единственным недостатком сильно модифицированной древесины является повышение хрупкости древесины.
Даже при низком уровне нагрузки механические свойства древесины улучшаются, но устойчивость к вредителям, таким как грибы и насекомые, не гарантируется, а темное изменение цвета древесины становится менее выраженным. Поэтому слегка модифицированная древесина используется внутри помещений, главным образом, в качестве напольного покрытия.
При уровне загрузки 50% высокая устойчивость к морским корабельным бурильщикам, таким как корабельные черви ( Teredo navalis ). достигается [12]
Фурфурилированная древесина, имеющая скандинавский экологический знак Swan , сегодня торгуется как экологически чистый продукт, поскольку и древесина, и фурфуриловый спирт производятся из возобновляемого сырья. [13]
В последние годы предпринимаются попытки сделать фурфурилированную древесину огнестойким материалом. [14] [15]
Рынок
[ редактировать ]В настоящее время существует только один производитель фурфурилированной древесины под названием Kebony , базирующийся в Осло , Норвегия. Эта компания производит 22 000 м 3 из фурфурилированной древесины. Предприятие имеет мощности не менее 25 000 м3. 3 . [8] В 2021 году в Бельгии был построен новый завод, а общий объем производства увеличился.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Роуэлл , РМ (3 мая 2007 г.). «Химическая модификация древесины». Справочник по инженерным биополимерам . Мюнхен: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG. стр. 673–691. дои : 10.3139/9783446442504.022 .
- ^ Х. Милитц , К. Май (2012). «Другие процессы лечения». В А. Вагенфюре, Ф. Шольце (ред.). Карманный справочник по технологии древесины (2-е, обновленное изд.). Лейпциг: Специализированное книжное издательство Лейпцига в Hanser Verlag. стр. 485–500. ISBN 978-3-446-42605-4 .
- ^ Д. Сандберг , А. Кутнар, Г. Мантанис (2017). «Технологии модификации древесины – обзор» . IForest – Биогеонауки и лесное хозяйство . 10 (6): 895–908. дои : 10.3832/ifor2380-010 . ISSN 1971-7458 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Мантанис Г.И. (2017). «Химическая модификация древесины путем ацетилирования или фурфурилирования: обзор современных технологий :: Биоресурсы» . Биоресурсы . Проверено 12 ноября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Каллум А.С. Хилл (2006). Модификация древесины: химические, термические и другие процессы . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-470-02172-1 .
- ^ М. Х. Шнайдер, А. Е. Витт (2004). «История коммерциализации древесно-полимерных композитов». Журнал лесных товаров : 19–24.
- ^ М. Х. Шнайдер (2001). «Древесина, пропитанная фурановым полимером». Патент РСТ WO 2002/060660 А1, 08.08.2002 .
- ^ Jump up to: а б с К. Май (2010). «Процессы химической модификации древесины». Технология древесины . 51 . Дрезден.
- ^ Jump up to: а б Стиг Ланде, Матс Вестин, Марк Шнайдер (1 декабря 2004 г.). «Свойства фурфурилированной древесины». Скандинавский журнал лесных исследований . 19 (суп5): 22–30. Бибкод : 2004SJFR...19S..22L . дои : 10.1080/0282758041001915 . ISSN 0282-7581 . S2CID 85421359 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б П. Бринильдсен, Р. Бендикцен, Ф. Энглунд, КАС Хилл, Х. Милитц, Б. К. Сегерхольм (2009). Б.К. Сегерхольм (ред.). Современная фабрика Kebony и ее основная продукция. Учеб. 4-й Европейской конференции по модификации древесины . Стокгольм. стр. 37–42.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Филипп Жерарден (01 сентября 2016 г.). «Новые альтернативы консервации древесины на основе термической и химической модификации древесины – обзор» . Анналы лесоведения . 73 (3): 559–570. дои : 10.1007/s13595-015-0531-4 . ISSN 1286-4560 . S2CID 256205301 .
- ^ М. Вестин, П. Ларссон-Брелид, Т. Нильссон, А. Рэпп, Дж. П. Дикерсон, С. Ланде, С. Крэгг (май 2016 г.). «Устойчивость ацетилированной и фурфурилированной древесины к морскому бурильщику - результаты воздействия до 16 лет в полевых условиях». Материалы «47-го ежегодного собрания Международной исследовательской группы (IRG) по защите древесины» . Стокгольм: 10 ff.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Филипп Жерарден (01 сентября 2016 г.). «Новые альтернативы консервации древесины на основе термической и химической модификации древесины — обзор» . Анналы лесоведения . 73 (3): 559–570. дои : 10.1007/s13595-015-0531-4 . ISSN 1286-4560 . S2CID 256205301 .
- ^ Линь, Цзя-фэн; Ким, Инджон; Мантанис, Джордж I .; Карлссон, Олов; Джонс, Деннис; Сэндберг, Дик (2 ноября 2021 г.). «Фурфурилированная древесина, устойчивая к выщелачиванию и огнезащитная обработка, путем включения фосфата гуанилмочевины». Древесное материаловедение и инженерия . 16 (6): 429–431. дои : 10.1080/17480272.2021.1981998 . ISSN 1748-0272 .
- ^ Донг, Юмин; Фу, Чжэньюй; Ян, Ютао; Ши, Цзинбо; Хьюз, Марк; Чжан, Сяньсюй; Ли, Цзяньчжан (2024). «Повышение огнестойкости фурфурилированной древесины путем введения ДОФО» . Наука и технология древесины . 58 (1): 273–293. дои : 10.1007/s00226-023-01513-2 . ISSN 0043-7719 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Сайт производителя фурфурилированной древесины Kebony AS, Норвегия