Modifikacija drva

Danas je korištenje neobnovljivih materijala veliko i još uvijek raste, i unatoč postojanju svijesti o tome da je njihova raspoloživost ograničena. Zahtjevi za razvijanjem novih tehnologija prerade obnovljivih izvora, koji bi nadomjestili neobnovljive, stoga su i dalje sve veći. No, pojavljuju se i sve veći ekološki problemi, koji naređuju zamjenu spornih materijala (među kojima su i mnogi neobnovljivi) sa biološki i ekološki prihvatljivijima.
k25-42-s1-230-300.jpgSlika 1: Učinak kemijskih postupaka na djelovanje stanične stijenke

Drvo je zasigurno među najprikladnijima! No, moramo znati da ni sveopćom uporabom drva ne bismo mogli riješiti sve poteškoće vezane uz okoliš. Na primjer: uporaba drva kao goriva zapravo znači brzo vraćanje ugljika (ugljikovog dioksida) u atmosferu, čime se ne pripomaže globalnom smanjivanju učinaka ugljikovog dioksida kao plina. Smanjenju emisija znatno ćemo više pripomoći što dužom uporabom drvenih proizvoda, u kojima se taj ugljik skladišti znatno duže vrijeme. Dugu životnu dob postižu oni drveni proizvodi koje koristimo u unutarnjim prostorima, jer su zaštićeni od vremenskih utjecaja, ili proizvodi od prirodno trajnijih odnosno otpornijih vrsta drva. Manje otpornim vrstama drva možemo produžiti uporabnost raznim zaštitnim sredstvima ili im poboljšavamo osobinu trajnosti posebnim postupcima prerade i obrade.

Naravno, drvo je obnovljiv materijal te ima svojstva i uporabnost velike raznolikosti; ono se koristi u građevinarstvu, proizvodnji građevinske stolarije i namještaja, za galanterijske proizvode, glazbene instrumente, u industriji papira i još posvuda. Velika heterogenost raznih vrsta drva i varijabilnost među njima te unutar njih samih mnogo puta će otežati i njegovu obradu, kojom želimo smanjiti njegove negativne osobine. One se najizrazitije pokazuju kroz dimenzijsku nestabilnost, slabu biološku otpornost i veliku anizotropiju.
Za obradu drva različitim postupcima i uporabom različitih kemijskih tvari, koje trajno utječu na promjene svojstava drva, uvriježio se izraz – modifikacija drva. Izraz se u užem smislu više odnosi na područje biološke zaštite drva. Prilikom obrade ili modifikacije drva istodobno postižemo i neka druga dobra svojstva: povećava se nepropusnost za vodu, otpornost na kiseline ili baze kao i UV-otpornost, biološka otpornost, termička otpornost, ili se poboljšavaju mehanička svojstva.
Modifikaciju drva dijelimo na:

  • kemijsku,
  • fizičku,
  • termičku, i
  • enzimatsku.

Učinkovitost postupka ocjenjujemo s obzirom na smanjenje mijenjanja dimenzija (učinkovitost protiv krčenja ili stezanja ASE – engl. anti shrinking efficiency) ili smanjenje mogućnosti primanja vode (vodonepropusna učinkovitost MEE – engl. moisture excluding efficiency).

KEMIJSKA MODIFIKACIJA DRVA

Mnogi postupci obrade drva vezani su uz uporabu najrazličitijih kemijskih sredstava – to je kemijska modifikacija drva. Postupci se temelje na unosu manjih molekula (monomera) u stijenke stanica i / ili stanične prostore, gdje se na različite načine stabiliziraju i održavaju. Tako obrađeno drvo nazivamo još i drveni polimerni kompozit (engl. wood polymer composites – WPC).
Kompoziti se od masivnog drva razlikuju po svojim fizikalnim i mehaničkim svojstvima, među kojima su najznačajnija povećanje površinske tvrdoće, dimenzijske stabilnosti i  površinska obrada visoke kakvoće bez potrebe za dodatnim doradama. Češće i tradicionalnije su uporaba i obrada lističarki. Ograničena uporaba igličarki vezana je uz teže natapanje njihovog jezgrenog dijela i veće količine pri uporabi sredstava radi veće poroznosti.
Unošenje kemijskih sredstava odvija se po poroznoj kapilarnoj strukturi drva. Brzina prodiranja je ovisna prije svega o provodnosti drvenoga tkiva i viskoznosti korištenog sredstva, a količina uporabe o poroznosti obrađivanog drva i učinku koji želimo postići. S obzirom na veličinu monomera, oni mogu ponekad zapuniti i stanične prostore, dok manje molekule mogu prodrijeti i u mikropore u stijenkama stanica.
Unos kemijskih sredstava u staničnu strukturu pospješujemo stvaranjem pritisnog gradijenta (pritiskom i / ili vakuumiranjem), a njihovu stabilizaciju u drvu postižemo katalizatorima, povišenjem temperature, zračenjem (elektroni,  X-zrake) ili zagrijavanjem u dielektričnom polju visoke frekvencije.
Kod postupaka zapunjavanja (bulking), vodu u drvu zamjenjujemo nehigroskopnim kemijskim tvarima. Želimo upotrijebiti sredstva koja bi bila sposobna zarinuti se što više u stijenku stanice. Sredstva, koja zapunjuju stanične prostore i povećavaju difuzijski otpor, na duži vremenski rok neće uspjeti spriječiti stvaranje nabreknuća.

Postupke zapunjavanja izvodimo na drvu koje sadrži što je moguće manje slobodne vode, dakle ima veći dio vezane vode, što omogućava i veću mobilnost prodirućega sredstva. Sredstva koja se koriste u postupcima zapunjavanja možemo podijeliti u tri skupine:

  • tvari koje se ne vežu u stijenku stanice pa ih voda lako ispire,
  • tvari koje se ne vežu u stijenku stanice, ali nisu topive u vodi,
  • tvari koje se vežu u stijenku stanice i voda ih ne ispire.

U prvu skupinu ubrajaju se najrazličitije soli, šećeri i polietilenglikol. Za uporabu su ovdje najprikladnija nehlapljiva sredstva, koja su vrlo topiva u vodi i vrlo malo smanjuju relativni radni parni pritisak. Najčešće korištene tvari imaju dvojaki učinak; zapunjavanjem staničnih stijenki stezanje se smanjuje, a usto se snižava i relativni parni pritisak. Stezanje (krčenje) drva neće se pojaviti toliko dugo, dok radni parni pritisak u okolini ne padne ispod pritiska zasićenja rastopine. Kod sušenja se koncentracija rastopine u prostorima stanice povećava, pa stoga kemijske tvari prodiru u staničnu stijenku, koja se uslijed toga ne može potpuno stegnuti. Krčenje se smanjuje za volumen zadržanog sredstva u stijenki stanice. Postupak je praktično ograničen, jer je takvo drvo dosta vlažno i zato ga nije moguće lijepiti ili površinski obrađivati na zadovoljavajući način.
U praksi ovu metodu koriste za stabilizaciju i održavanje (konzervaciju) potopljenih drvenih predmeta; najpoznatija je njezina uporaba prilikom rješavanja potopljenog vikinškog broda Vasa.
Komercijalno gledano, najcjenjenija su sredstva koja se u stijenki stanice ne vežu i koja ne možemo isprati. Drvo natopljeno fenolnim smolama na tržištu je poznato kao impreg i compreg. Zbog bržeg i ravnomjernijeg prodiranja smole u drvo izvodi se natapanje tanjih drvenih proizvoda (od furnira, do debljine od 8 milimetara). Količina dodane smole je 25 do 35 posto u odnosu na apsolutno suho stanje drva. Stvrdnjavanje se odvija na visokim temperaturama, a kod »comprega« još i uz povišeni pritisak, sve do 7 MPa; otuda je dobio i spomenuti naziv.
Među kemijskim tvarima koje se vežu u staničnu stijenku i voda ih ne ispire najpoznatiji su postupci acetilacije, kod kojih se hidroksilne skupine zamjenjuju s acetilnom skupinom (-O-CH3), kao i ftaliranja, gdje dolazi do zamjene hidroksilnih skupina sa ftalnim skupinama (-CO-C6H4-COOH). Uspostavljaju se i veze između dviju hidroksilnih skupina usporedno pokretnih drvenih komponenata, pri čemu se stvaraju snažnije poprečne (cross-linking) veze, koje će spriječiti pojavu svojstva higroskopnosti.

KOMPRESIJSKO DRVO

Kod svih već spomenutih postupaka obrade drva teško možemo izbjeći uporabu opterećenja pod pritiskom, bilo zbog bržeg i učinkovitijeg prodiranja različitih sredstava u poroznu kapilarnu strukturu drva, bilo kod reintegracije drvenih dijelova u kompozite. Zato i jest dosta teško pronaći strogu granicu između pojedinih postupaka obrade i takozvanog prešanog ili kompresijskog drva, koje bismo mogli uvrstiti u skupinu fizikalno modificiranih drva.
Djelovanjem visokog pritiska na masivno drvo – naravno, uz odgovarajuće vrijednosti i odnose temperature pritiska i vlažnosti drva – možemo uzrokovati njegovo zgušnjavanje i smanjivanje poroznosti. Gustoća mu se povećava radi stezanja i smanjivanja staničnih prostora, a  ne zbog značajnijih promjena staničnih stijenki. Mehanička svojstva zgusnutoga drva se poboljšavaju, tako da odnos između težine i tvrdoće još uvijek ostaje vrlo dobar.
Čak i češće negoli na masivnom drvu, ove postupke kompresije uvode sve više kod obrade furnira ili manjih drvenih djelića, kojima radi boljega prianjanja dodaju različite smolaste dodatke.
k25-42-s3-230.jpgSlika    2: Za podne obloge često koristimo i bambus, modificiran pod pritiskom.

U glavne prednosti zgusnutog drva ili drvenih kompozita ubrajamo veću homogenost i otpornost na habanje, koja je prije svega važna za podne obloge. Drvo postaje manje higroskopno i zato dimenzijski stabilnije, a povećavaju mu se i termička, biološka i kemijska otpornost.

TOPLINSKA OBRADA DRVA

Toplinska obrada drva bila je među prvim industrijskim postupcima kojima se pokušavao smanjiti takozvani rad drva. Manji rad drva je posljedica smanjenja higroskopnosti drva radi termičke razgradnje najhigroskopnijih i nestabilnih polioza. Polioze se razgrađuju u furfurol i šećere, a oni u drugom stupnju međusobno reagiraju i tvore netopive polimere. Učinak je ovisan o okolnostima u kojima se odvija obrada (o temperaturi, vremenu, pritisku, uporabi katalizatora i plinova) i materijalu (vrsti drva, vlažnosti, dimenzijama uzoraka). Normalnim temperaturnim postupcima sušenja postižemo već poznati učinak stabilizacije dimenzija, no učinkovitiji su postupci toplinske obrade na znatno povišenim temperaturama (do 300 stupnjeva Celziusa). Kako kod tako visokih temperatura postoji i opasnost od zapaljenja, postupci se odvijaju bez prisutnosti kisika u inertnim okolnostima, vakuumu, zasićenoj pari ili se drva zagrijavaju u uljima. Pozitivni učinci se pokazuju na smanjenom radu drva, smanjenoj higroskopnosti i povećanoj biološkoj otpornosti.

Slik25-42-s2-150.jpgka 3: Toplinska obrada hodnoga sloja dvoslojne podne obloge od hrastovine

Djelovanje visokih temperatura dovodi do potamnjenja drva i ono neko vrijeme ima neugodan miris, a na drvu nisu prikladna obavljanja svih standardnih postupaka površinske obrade i lijepljenja. Neotpornost srednjega sloja stanične stijenke na visoke temperature uzrokuje i smanjenje tvrdoće termički obrađenoga drva; no najvidljivije je smanjenje otpornosti na habanje. Tijekom postupaka izrazitog zagrijavanja drvo postaje podložnije pucanju i izbijanju kvrga.

k25-42-s4-230.jpgSlika 4: Različiti tonovi boja toplinski obrađenog lam-parketa od drveta akacije

S obzirom na načine toplinske obrade drva, na tržištu možemo naići na raznolike komercijalne proizvode: »Thermowood« dolazi iz Finske, »Plato« su razvili u Nizozemskoj, postupci »Retification« i »Perdure« su francuskog podrijetla, dok iz Njemačke potječu drva toplinski obrađivana u biljnim uljima.

MODIFIKACIJA DRVA ENZIMIMA

U proizvodnji drvenih kompozita od reintegriranog drva često se susrećemo s energetskim i ekološkim poteškoćama, koje nastaju radi sušenja ili uporabe neekoloških veziva. Enzimi djeluju na promjenu glavnih komponenata drva, prije svega lignina, i to već na sobnoj  temperaturi, te time povećavaju aktiviranje površine drvenih djelića. Veliki broj reaktivnih mjesta omogućava međusobno povezivanje i »lijepljenje« drvenih djelića u kompozit  zadovoljavajućih fizikalnih i mehaničkih svojstava.

ZAKLJUČAK

I u ponudi drvenih podnih obloga sve češće možemo uočiti snažne promjene odnosno modificirane materijale, iako još uvijek sa prepoznatljivom strukturom i teksturom drva. Različitim postupcima obrade pokušavamo poboljšati one negativne osobine koje se u praksi iskazuju kao najteže savladive; međutim, otpornost na habanje, dimenzijska stabilnost i biološka trajnost nikako se ne mogu uvrstiti među zanemarive modne smjernice …

izv. prof. dr. Željko Gorišek, dipl. ing. drvne ind.
Sveučilište u Ljubljani, Biotehnički fakultet, Odsjek za drvo

PODIJELI