Termikus modifikáció gázokban

A famodifikálási eljárások célja a faanyag tartósságának, mechanikai tulajdonságainak, méretstabilitásának, színének, színtartósságának javítása, és a nedvességre való érzékenység csökkentése. Sorozatunk második részében a termikus modifikációval foglalkozunk – s azon belül is kizárólag a gáz halmazállapotú közegekben történő kezelésekkel.

A TERMIKUS MODIFIKÁCIÓRÓL

A hogy már a kedves olvasók, szakemberek is találkozhattak különféle módosított faanyagokkal a kereskedők kínálatában, szakmai kiállítások standjain , úgy a termikusan modifikált faanyagok is megtalálhatók a hazai piacon. Az egyszerűség kedvéért ezen alapanyagokat a továbbiakban hőkezelt faanyagoknak nevezem. Már a cikk elején szeret ném kihangsúlyozni, hogy a hőkezelést megkülönböztetjük a fűrészipari választékok szárítási és gőzölési, valamint sterilizálási (fertőtlenítési) eljárásaitól, melyek során a faanyagot alkotó kémiai vegyületek bomlása csak kisebb mértékben megy végbe. Ezzel összefüggésben a szűkebb értelemben vett faanyagmódosító hőkezelési eljárásokat általában 160 °C hőmérséklet feletti közegekben végzik úgy, hogy a faalkotók bomlásfolyamatai már jelentősen befolyásolják a technológia „végtermékének” fizikai, mechanikai, biológiai és megmunkálási tulajdonságait is. A többlépcsős hőkezelési menetrendek több felmelegítési , hőn tartási, lehűtési) szakaszokból állnak. A hűtési szakasz lehetőséget nyújt a faanyagok kondicionálására, valamint a faanyag hőtartalma felhasználható egy többszakaszos berendezés esetében újabb kezelendő rakatok felmelegítésére. Európában több szabadalmaztatott eljárás létezik, illetve különféle márkanevek alatt forgalmazott hőkezelt faanyagokkal is találkozhatunk, melyek közül a teljesség igénye nélkül csak néhányról szeretnék szót ejteni. Itt tartom fontosnak megjegyezni, hogy kizárólag a gáz halmazállapotú közegekben történő kezelésekre térek ki cikkemben, mivel a folyadékokban történő modifikációkkal a cikksorozat következő része foglalkozik. A PLATO® eljárás egy Hollandiában kifejlesztett háromlépcsős kezelési eljárás, melynél először 150–200 °C-on ún. hidrotermolízist végeznek 8–10 bar nyomáson autoklávban. Ezt követően vízfürdő felett nettó 10%-os nedvessségre szárítják a faanyagokat, majd végezetül száraz levegőben 160–200 ˚C hőmérséklet mellett és légköri nyomáson kezelik az anyagokat.

A japán és német közös fejlesztésű EDS ® eljárást főként frissen döntött, szinte élő nedves hengeres alapanyagok 240 ˚C-os füstgázban történő kezelésére használják. A Thermoholz® hőkezelési technológiája a német FWD-eljárás (F-nedvesség, W-hő, D-nyomás) alapjain nyugszik, és speciálisan erre a célra kifejlesztett kamrában 130– 230 ˚C-on, normál légköri nyomáson és 2–20 órán át kezelik a faanyagot. A francia fejlesztésű Retified Wood® eljárás esetében a 12%-os nettó nedvességtartalomra előszárított faanyagot nitrogéngázban 210–240 ˚C-on hőkezelik. A Perdure® Wood, egy ugyancsak francia eljárás során pedig a nedves fát 12–14%-os nettó fanedvességre előszárítják, majd 6–8 órán át 230 ˚C-os gőzatmoszférában kezelik tovább. A finnországi fejlesztésű, Európában és talán hazánkban is legismertebb ThermoWood® eljárás, mely több szabadalmaztatott márkanév (FinnForest ThermoWood®, Stellac Wood®, Lunawood®) alatt forgalmazott hőkezelt faanyagok technológiája, ugyancsak három kezelési fázisra bontható. Az első fázisban a hőmérséklet növelése, majd magas hőmérsékleten (100–130 °C között) való szárítás történik. Az előszárítási szakaszt követően a második fázisban a kezelőlevegő hőmérsékletét 185–215 °C közé növelik, majd 2–3 órán keresztül szinten tartják, a kívánt végfelhasználói céloktól függően. A hőkezelési fázisban a faanyagot gőzbefúvatással védik a fokozott bomlástól, ill. a befúvatott gőz jelenléte a faanyag kémiai átalakulására is hatással van. Ez azt jelenti, hogy amennyiben csak a szín-módosítás a cél, akkor egy alacsonyabb hőmérsékletet, ha pedig a tartósság és a méretstabilitás, akkor egy magasabb hőmérsékletet és hozzá tartozó kezelési időt alkalmaznak. A harmadik, egyben záró fázis során pedig a hőmérséklet csökkenése mellett gőz befúvatásával újranedvesítik a faanyagot, melynek nettó nedvességtartalma kb. 4–7%-ot ér el a végső stádiumban. A gáz halmazállapotú kezelőközegek tekintetében a légköri levegőben történő eljárások a legelterjedtebbek, melyeknél a bomlás folyamatok oxidatív jellege is dominál. A hőkezelések rentabilitása miatt az inert gázatmoszférában történő kezelések lényegében háttérbe szorultak és az olcsóbb, légköri levegőt felhasználó menetrendek terjedtek jobban el. Ennek megfelelően a tulajdonságok bemutatásánál is ezen eljárásokat tartom célszerűnek kihangsúlyozni.

A TERMIKUSAN MODIFIKÁLT FAANYAG TULAJDONSÁGAI

Az előzőekben már említett bomlási folyamatok a faanyagban a kezelési hőmérséklet és a hőn tartási idő függvényében eltérő intenzitásúak lehetnek, melytől függően a faanyagok tulajdonságai is különböző mértékben módosulnak. A teljesség igénye nélkül a felhasználás során legfontosabb tulajdonságokat tekintem át. Az egyik és legszembetűnőbb fizikai tulajdonsággal, a hőkezelt faanyagok színével kapcsolatban elmondható, hogy a világosbarnás színárnyalatoktól kezdődően a csokoládé barnáig terjedően változhat a hőkezelt faanyagok színe, mely a szabadban a fotodegradáció következtében a kezeletlen faanyagokhoz hasonlóan beszürkül. Ennek megfelelően az UV-sugárzás elleni felületkezelésről mindenképpen gondoskodni kell, ha a módosított szín megőrzése a cél. A túlnyomásos eljárá soknál a gőzölésnél már megszokott vöröses színárnyalatok jobban előtérbe kerülnek. A kutatások kimutatták, hogy a színkomponensek közül a világosság csökkenésével arányosan számos egyéb tulajdonság is megváltozik. Így pl. a faanyagok egyensúlyi fanedvessége, zsugorodás-dagadási értékei és egy bizonyos degradációs szintet követően a sűrűsége, a statikus és dinamikus szilárdsági mutatók többsége is csökkenést mutat. Ez alól kivételt jelent a rostirányú nyomószilárdság és ezzel összefüggésben a bütükeménység is. Vizsgálatok igazolták, hogy minél sötétebb egy hőkezelt faanyag, annál kevésbé jelent táplálékforrást a farontó rovarok és gombák számára, mely egyfelől a könnyen lebomló kémiai alkotóelemek (pl. keményítő, hemicellulózok) hiányára, ill. azok módosult állapotára, valamint az alacsonyabb egyensúlyi fanedvességre is visszavezethető. Főként a magasabb sűrűségű és szilárdságú, ám gyenge tartósságú (pl. bükk és kőris) faanyagok esetében az 1. tartóssági osztály (nagyon tartós) is elérhető. Mindemellett érdemes hangsúlyozni, hogy a kialakítandó építmények, fatermékek technikai és védőszeres faanyagvédelmi szempontjait sem szabad figyelmen kívül hagyni az alkalmazás során. A soproni Faanyagtudományi Intézetben folytatunk hőkezelési és laboratóriumi, valamint kültéri faanyagvédelmi vizsgálatokat is.

Az 1. ábra a kültéri faanyagvédelmi állomásunkon folyó különféle kitettségi vizsgálatokat szemlélteti. Visszatérve a hőkezelés által megváltozott tulajdonságokra, elmondható továbbá, hogy a kezelés során keletkező ecetsav és hangyasav miatt a hőkezelt faanyagok pH-értéke eltolódik, mely a felhasználás során megköveteli a saválló kötőelemek használatát. A hőkezelt faanyagok megmunkálása nem okoz különösebb problémát, de a por-forgács megfelelő elszívásáról ugyancsak gondoskodni kell. Felületkezelésnél és ragasztásnál érdemes a gyártói ajánlásokat figyelembe venni, mivel a savas bomlástermékek befolyással lehetnek a kötési és a tapadási minőségre, de általánosan elmondható, hogy az elterjedt faipari ragasztó- és felületkezelő anyagok problémamentesen felhasználhatók a hőkezelt faanyagok esetében. Ennek ellenére ajánlás hiányában célszerű ragasztási és felületkezelési próbákat végezni, vagy kutatóintézettől szak-vizsgálatot kérni. Kivitelezés során a csavarozott, szegezett elemvégek berepedése gyakran előfordul, ennek megfelelően fokozott figyelemmel kell a rögzítési megoldásokat megválasztani és elkészíteni.

1. ábra: natúr és hőkezelt faanyagok kültéri faanyagvédelmi, kitettségi vizsgálata

IPARI ELTERJEDÉS

Európát tekintve a hőkezelt faanyagok gyártási volumene az elmúlt tizenöt évben folyamatosan növekvő tendenciát mutat. Németországi, idei felmérés alapján, míg 2000-ben még csak 50 000 m3 alatt volt az EU-ban előállított hőkezelt faanyagok mennyisége, addig 2015-re csak a finnországi ThermoWood előállítás elérte a 150 000 m3-t úgy, hogy az EU-s összmennyiség már 400 000 m3-re becsülhető. Ennek megfelelően az iparban történő elterjedés is némileg emelkedik, bár a minőségi problémák és a felhasználási szakmai hiányosságok miatt a vevői reklamációk is előfordulnak. Az ipari kezelések költségére vonatkozóan csak becslések találhatók a szakirodalomban. Konkrét adatok, árajánlatok tekintetében (pl. bérkezelés) az eljárást végző cégeknél szükséges informálódni.

FELHASZNÁLÁS

A hőkezelt faanyagok a színmódosulás következtében a sötétebb, egzotikus megjelenésű faanyagok kiváltásában nagy szerepet játszanak Európában. Ennek megfelelően a dekorációs célú felhasználás, mint pl. építmények külső és belső díszítő burkolatai, bútorfrontok kialakítása is előtérbe helyezhető. Emellett számos területen találkozhatunk még hőkezelt faanyagokkal. Ilyen pl. a homogén vagy hibrid szerkezetű rétegeltragasztott faanyagok megjelenése is, mely főként ablakgyártásnál játszik kulcsfontosságú szerepet. Emellett megemlíthető, hogy a Faanyagtudományi Intézetben folytatott kísérleteket követően készült szalagparketta fedőréteg keménylombos faanyagokból is. A 2. ábra egy világhírű hazai hegedűkészítő remekművét mutatja, mely ugyancsak az intézetünkkel történő együttműködés keretében valósulhatott meg hőkezelt alapanyagokból. Ez utóbbi projektről a későbbiekben egy önálló cikkben fogunk beszámolni a kedves olvasóknak.

2. ábra: hőkezelt lucfenyő és juhar alapanyagból készített hegedű

ÉRDEKES KUTATÁSOK

Napjainkban is folynak kutatások a faanyagok hőkezeléssel történő módosításával kapcsolatban. Itt tartom fontosnak megemlíteni, hogy intézetünk két nemzetközi kutatási együttműködésben is érdekelt. A TÉT pályázati kiírásoknak köszönhetően a göttingeni Georg August Egyetemmel karöltve csertölgy és gyertyán faanyagok nedves és száraz termikus kezelését követően vizsgáljuk a próbatestek kémiai és szerkezeti változásait. Ehhez hasonlatos nemzetközi projektben a Zólyomi Műszaki Egyetemmel pedig hőkezelt bükk felületfizikai tulajdonságaira fókuszálunk, mesterséges öregbítési eljárásokkal kombinálva.

ÖSSZEGZÉS

A faanyagok hőközléssel történő modifikációjáról elmondható, hogy az utóbbi időszak gazdasági hullámai ellenére mind ipari, mind pedig kutatási szinten megőrizte létjogosultságát. Emellett kihangsúlyoznám, hogy tartós, funkcionalitásában és minőségében megfelelő termékek, építmények a tulajdonságok és a megelőző technikai és védőszeres faanyagvédelmi szabályok megfelelő ismerete mellett gyárthatók, létesíthetők. Az anyagtudományi vizsgálatok alapján a hőkezelt alapanyagok tartószerkezeti célokra történő alkalmazása azonban kerülendő, de ennek ellenére számos területen lehet még újabb lehetőségeket találni, ahol e faanyagok előnyeit a szakmai ötletességgel párosítva kiaknázhatjuk. Amennyiben a kedves olvasóknak, mint szakembereknek, vagy akár csak végfelhasználóknak, tulajdonosoknak minőségi problémáik lennének, forduljanak hozzánk (nemeth.robert@nyme.hu) bizalommal.

Dr. Horváth Norbert
oktatókutató, faanyagvédelmi szakértő,
Faanyagtudományi Intézet,
NyME, Sopron

Tetszett a cikk?