Danes je poraba neobnovljivih materialov velika in še vedno narašča kljub zavedanju, da je njihova razpoložljivost omejena. Zahteve po razvijanju novih tehnologij predelave obnovljivih virov, ki bi nadomestili neobnovljive, so zato čedalje večje. Hkrati se pojavljajo vse večji ekološki problemi, ki narekujejo zamenjavo oporečnih materialov (med katere sodi tudi veliko neobnovljivih) z biološko in ekološko sprejemljivejšimi. Les je gotovo med najprimernejšimi! Zavedati pa se moramo, da tudi vsesplošno uporaba lesa ne moremo rešiti vseh okoljskih težav. Na primer: uporaba lesa kot goriva pomeni hitro vračanje ogljika (ogljikovega dioksida) v ozračje in tako ne pripomore h globalnemu zmanjšanju učinka ogljikovega dioksida kot toplogrednega plina. K zmanjšanju emisij veliko bolj pripomoremo s čim daljšo uporabnostjo lesenih izdelkov, v katerih se ogljik skladišči precej daljši čas. Dolgo življenjsko dobo imajo leseni izdelki, ki jih uporabljamo v notranjih prostorih, zaščitenih pred vremenskimi vplivi, ali izdelki iz naravno trajnejših oziroma odpornejših vrst. Manj odpornim lesnim vrstam podaljšamo uporabnost z zaščitnimi sredstvi ali jim trajnostne lastnosti izboljšamo s posebnimi postopki predelave in obdelave.
Les je naravno obnovljiv material z veliko raznolikostjo lastnosti in uporabnosti; uporaben je v gradbeništvu, proizvodnji stavbnega in notranjega pohištva, za galanterijske izdelke, glasbene instrumente, v papirništvu in še kje. Velika heterogenost lesnih vrst in variabilnost med drevesi in v njih samih mnogokrat otežujejo tudi njegovo obdelavo, s katero želimo zmanjšati njegove negativne lastnosti. Te se najizraziteje kažejo v dimenzijski nestabilnosti, slabi biološki odpornosti in veliki anizotropiji.
Za obdelavo lesa z različnimi postopki in uporabo različnih kemičnih snovi, ki trajno vplivajo na spremembe lastnosti lesa, se je uveljavil izraz modifikacija lesa. Izraz je v ožjem smislu bolj uveljavljen na področju biološke zaščite lesa. Vzporedno dosežemo pri obdelavi –modifikaciji lesa še druge ugodne lastnosti; poveča se neprepustnost za vodo, odpornost proti kislinam ali bazam, UV-odpornost, biološka odpornost, termična odpornost ali pa se zboljšajo mehanske lastnosti.
Modifikacijo lesa razdelimo na:
Učinkovitost postopka vrednotimo glede na zmanjšanje dimenzijskega spreminjanja (učinkovitost proti krčenju ASE – anti shrinking efficiency) ali zmanjšanje možnosti sprejemanja vode (vodoneprepustna učinkovitost MEE – moisture excluding efficinecy).
Kompoziti se od masivnega lesa razlikujejo po fizikalnih in mehanskih lastnostih, med katerimi so najznačilnejše povečanje površinske trdote, dimenzijske stabilnosti in kakovostna površinska obdelanost brez dodatnih obdelav. Pogostejši in bolj tradicionalni sta uporaba in obdelava listavcev. Omejena uporaba iglavcev je vezana na težje prepajanje jedrovine in večjo porabo sredstev zaradi večje poroznosti.
Vnašanje kemičnih sredstev poteka po porozni kapilarni strukturi lesa. Hitrost prodiranja je odvisna predvsem od prevodnosti lesnega tkiva in viskoznosti uporabljenega sredstva, količina porabe pa od poroznosti lesa in učinka, ki ga želimo doseči. Glede na velikost monomerov lahko ti zapolnijo le celične lumne, manjše molekule pa lahko prodrejo tudi v mikropore v celični steni.
Vnos kemičnih sredstev v celično strukturo pospešimo z ustvarjanjem tlačnega gradienta (s tlakom in/ali z vakuumiranjem), njihovo stabilizacijo v lesu pa dosežemo s katalizatorji, povišano temperaturo, sevanjem (elektroni, - in X-žarki) ali segrevanjem v dielektričnem polju visoke frekvence.
Pri postopkih zapolnjevanja (bulking) zamenjujemo vodo v lesu z nehigroskopnimi kemičnimi snovmi. Želimo uporabiti sredstva, ki bi se bila sposobna čim bolj vriniti v celično steno. Sredstva, ki zapolnjujejo le lumne, povečajo difuzijski upor, na daljše časovno obdobje pa ne preprečijo nabrekanja.
Postopke zapolnjevanja izvajamo na lesu, ki vsebuje čim manj proste vode in še vedno precejšen del vezane, ki omogoča tudi večjo mobilnost prodirajočega sredstva. Uporabljena sredstva v postopkih zapolnjevanja razvrščamo v tri skupine:
V prvo skupino sodijo najrazličnejše soli, sladkorji in polietilen glikol. Za uporabo naj bi bila najprimernejša nehlapljiva sredstva, ki bi bila zelo (»neskončna«) topna v vodi in bi čim manj zmanjšala relativni delni parni tlak. Najpogosteje uporabljene snovi imajo dvojni učinek; z zapolnitvijo celičnih sten je krčenje zmanjšano, hkrati pa se zniža tudi relativni parni tlak. Krčenje lesa se ne pojavi toliko časa, dokler dejanski parni tlak v okolici ne pade pod tlak nasičenja raztopine. Pri sušenju se koncentracija raztopine v lumnih povečuje, zato kemične snovi prodirajo v celično steno, ki se tako ne more popolnoma skrčiti. Krčenje se zmanjša za volumen zadržanega sredstva v celični steni. Postopek je praktično omejen, ker je takšen les vedno vlažen in ga zato ni mogoče zadovoljivo lepiti ali površinsko obdelati.
V praksi metodo uporabljajo za stabilizacijo puškinih kopit in ohranjanje (konzervacijo) potopljenih lesenih predmetov; najbolj znana je njegova uporaba pri reševanju potopljene vikinške ladje Vasa.
Komercialno najbolj znana so sredstva, ki se v celični steni ne vežejo in jih ne moremo sprati. Les, prepojen s fenolnimi smolami, je na trgu znanim kot impreg in compreg. Zaradi hitrejšega in enakomernejšega prodiranja smole v les se izvaja prepajanje tanjših lesnih sortimentov (furnir do debeline 8 milimetrov). Količina dodane smole je 25 do 35 odstotkov glede na absolutno suho stanje lesa. Utrjevanje poteka pri visokih temperaturah, pri »compregu« pa tudi pri povišanem tlaku do 7 MPa; od tod tudi ime.
Med kemičnimi snovmi, ki se vežejo v celično steno in se ne izpirajo, so najbolj znani postopki acetilacije, kjer se hidroksilne skupine zamenjajo z acetilno skupino (-O-CH3), in ftaliranje z zamenjavo hidroksilnih skupin s ftalnimi skupinami (-CO-C6H4-COOH). Vzpostavijo se tudi vezi med dvema hidroksilnima skupinama vzporedno potekajočih lesnih komponent, pri tem se tvorijo močnejše prečne (cross-linking) vezi, ki preprečujejo higroskopnost.
Z delovanjem visokega tlaka na masivni les, seveda ob ustreznih razmerah temperature tlaka in vlažnosti lesa, povzročimo njegovo zgoščevanje in zmanjšamo poroznost. Gostota se poveča zaradi stiskanja in zmanjševanja lumnov, ne pa pomembnih sprememb celične stene. Mehanske lastnosti zgoščenega lesa se zboljšajo, tako ostaja razmerje med težo in trdnostjo še vedno zelo ugodno.
Še pogosteje kot na masivnem lesu tlačne postopke uvajajo pri obdelavi furnirjev ali manjših lesnih delcih, ki jim za boljšo oprijemnost dodajajo različne smolne dodatke.
Med glavne prednosti zgoščenega lesa ali lesnih kompozitov štejemo večjo homogenost in obrabno odpornost, ki je relevantna predvsem za talne obloge. Les je manj higroskopen in zato dimenzijsko stabilnejši, povečajo pa se mu tudi termična, biološka in kemična odpornost.
izr. prof. dr. Željko Gorišek, univ. dipl. inž. les.
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo
Les je naravno obnovljiv material z veliko raznolikostjo lastnosti in uporabnosti; uporaben je v gradbeništvu, proizvodnji stavbnega in notranjega pohištva, za galanterijske izdelke, glasbene instrumente, v papirništvu in še kje. Velika heterogenost lesnih vrst in variabilnost med drevesi in v njih samih mnogokrat otežujejo tudi njegovo obdelavo, s katero želimo zmanjšati njegove negativne lastnosti. Te se najizraziteje kažejo v dimenzijski nestabilnosti, slabi biološki odpornosti in veliki anizotropiji.
Za obdelavo lesa z različnimi postopki in uporabo različnih kemičnih snovi, ki trajno vplivajo na spremembe lastnosti lesa, se je uveljavil izraz modifikacija lesa. Izraz je v ožjem smislu bolj uveljavljen na področju biološke zaščite lesa. Vzporedno dosežemo pri obdelavi –modifikaciji lesa še druge ugodne lastnosti; poveča se neprepustnost za vodo, odpornost proti kislinam ali bazam, UV-odpornost, biološka odpornost, termična odpornost ali pa se zboljšajo mehanske lastnosti.
Modifikacijo lesa razdelimo na:
- kemično,
- fizično,
- termično in
- encimatsko.
Učinkovitost postopka vrednotimo glede na zmanjšanje dimenzijskega spreminjanja (učinkovitost proti krčenju ASE – anti shrinking efficiency) ali zmanjšanje možnosti sprejemanja vode (vodoneprepustna učinkovitost MEE – moisture excluding efficinecy).
KEMIČNA MODIFIKACIJA LESA
Mnogi postopki obdelave lesa so vezani na uporabo najrazličnejših kemičnih sredstev – kemična modifikacija lesa. Postopki temeljijo na vnosu manjših molekul (monomer) v celične stene in/ali celične lumne, kjer se na različne načine stabilizirajo in ohranijo. Tako obdelan les imenujemo tudi lesni polimerni kompozit (angl. wood polymer composites – WPC).Kompoziti se od masivnega lesa razlikujejo po fizikalnih in mehanskih lastnostih, med katerimi so najznačilnejše povečanje površinske trdote, dimenzijske stabilnosti in kakovostna površinska obdelanost brez dodatnih obdelav. Pogostejši in bolj tradicionalni sta uporaba in obdelava listavcev. Omejena uporaba iglavcev je vezana na težje prepajanje jedrovine in večjo porabo sredstev zaradi večje poroznosti.
Vnašanje kemičnih sredstev poteka po porozni kapilarni strukturi lesa. Hitrost prodiranja je odvisna predvsem od prevodnosti lesnega tkiva in viskoznosti uporabljenega sredstva, količina porabe pa od poroznosti lesa in učinka, ki ga želimo doseči. Glede na velikost monomerov lahko ti zapolnijo le celične lumne, manjše molekule pa lahko prodrejo tudi v mikropore v celični steni.
Vnos kemičnih sredstev v celično strukturo pospešimo z ustvarjanjem tlačnega gradienta (s tlakom in/ali z vakuumiranjem), njihovo stabilizacijo v lesu pa dosežemo s katalizatorji, povišano temperaturo, sevanjem (elektroni, - in X-žarki) ali segrevanjem v dielektričnem polju visoke frekvence.
Pri postopkih zapolnjevanja (bulking) zamenjujemo vodo v lesu z nehigroskopnimi kemičnimi snovmi. Želimo uporabiti sredstva, ki bi se bila sposobna čim bolj vriniti v celično steno. Sredstva, ki zapolnjujejo le lumne, povečajo difuzijski upor, na daljše časovno obdobje pa ne preprečijo nabrekanja.
Postopke zapolnjevanja izvajamo na lesu, ki vsebuje čim manj proste vode in še vedno precejšen del vezane, ki omogoča tudi večjo mobilnost prodirajočega sredstva. Uporabljena sredstva v postopkih zapolnjevanja razvrščamo v tri skupine:
- snovi, ki se ne vežejo v celično steno in jih voda lahko izpere,
- snovi, ki se ne vežejo v celično steno, vendar v vodi niso topne,
- snovi, ki se v celično steno vežejo in jih voda ne izpira.
V prvo skupino sodijo najrazličnejše soli, sladkorji in polietilen glikol. Za uporabo naj bi bila najprimernejša nehlapljiva sredstva, ki bi bila zelo (»neskončna«) topna v vodi in bi čim manj zmanjšala relativni delni parni tlak. Najpogosteje uporabljene snovi imajo dvojni učinek; z zapolnitvijo celičnih sten je krčenje zmanjšano, hkrati pa se zniža tudi relativni parni tlak. Krčenje lesa se ne pojavi toliko časa, dokler dejanski parni tlak v okolici ne pade pod tlak nasičenja raztopine. Pri sušenju se koncentracija raztopine v lumnih povečuje, zato kemične snovi prodirajo v celično steno, ki se tako ne more popolnoma skrčiti. Krčenje se zmanjša za volumen zadržanega sredstva v celični steni. Postopek je praktično omejen, ker je takšen les vedno vlažen in ga zato ni mogoče zadovoljivo lepiti ali površinsko obdelati.
V praksi metodo uporabljajo za stabilizacijo puškinih kopit in ohranjanje (konzervacijo) potopljenih lesenih predmetov; najbolj znana je njegova uporaba pri reševanju potopljene vikinške ladje Vasa.
Komercialno najbolj znana so sredstva, ki se v celični steni ne vežejo in jih ne moremo sprati. Les, prepojen s fenolnimi smolami, je na trgu znanim kot impreg in compreg. Zaradi hitrejšega in enakomernejšega prodiranja smole v les se izvaja prepajanje tanjših lesnih sortimentov (furnir do debeline 8 milimetrov). Količina dodane smole je 25 do 35 odstotkov glede na absolutno suho stanje lesa. Utrjevanje poteka pri visokih temperaturah, pri »compregu« pa tudi pri povišanem tlaku do 7 MPa; od tod tudi ime.
Med kemičnimi snovmi, ki se vežejo v celično steno in se ne izpirajo, so najbolj znani postopki acetilacije, kjer se hidroksilne skupine zamenjajo z acetilno skupino (-O-CH3), in ftaliranje z zamenjavo hidroksilnih skupin s ftalnimi skupinami (-CO-C6H4-COOH). Vzpostavijo se tudi vezi med dvema hidroksilnima skupinama vzporedno potekajočih lesnih komponent, pri tem se tvorijo močnejše prečne (cross-linking) vezi, ki preprečujejo higroskopnost.
Slika 1: Učinek kemičnih postopkov na delovanje celične stene
TLAČNI LES
Pri vseh že omenjenih obdelovalnih postopkih lesa se le težko izognemo tudi uporabi tlačnih obremenitev, naj si bo zaradi hitrejšega in učinkovitejšega prodiranja različnih sredstev v porozno kapilarno strukturo lesa ali pri reintegraciji lesnih delcev v kompozite. Zato je tudi težko najti strogo mejo med posameznimi postopki obdelave in tako imenovanim tlačnim lesom, ki ga lahko uvrstimo v skupino fizikalno modificiranega lesa.Z delovanjem visokega tlaka na masivni les, seveda ob ustreznih razmerah temperature tlaka in vlažnosti lesa, povzročimo njegovo zgoščevanje in zmanjšamo poroznost. Gostota se poveča zaradi stiskanja in zmanjševanja lumnov, ne pa pomembnih sprememb celične stene. Mehanske lastnosti zgoščenega lesa se zboljšajo, tako ostaja razmerje med težo in trdnostjo še vedno zelo ugodno.
Še pogosteje kot na masivnem lesu tlačne postopke uvajajo pri obdelavi furnirjev ali manjših lesnih delcih, ki jim za boljšo oprijemnost dodajajo različne smolne dodatke.
Med glavne prednosti zgoščenega lesa ali lesnih kompozitov štejemo večjo homogenost in obrabno odpornost, ki je relevantna predvsem za talne obloge. Les je manj higroskopen in zato dimenzijsko stabilnejši, povečajo pa se mu tudi termična, biološka in kemična odpornost.
Slika 2: Za talne obloge pogosto uporabljamo tudi tlačno modificiran bambus.
TOPLOTNA OBDELAVA LESA
Toplotna obdelava lesa je bila med prvimi industrijskimi postopki, s katerimi bi zmanjšali delovanje lesa. Manjše delovanje lesa je posledica zmanjšanja higroskopnosti lesa zaradi termične razgradnje najbolj higroskopnih in nestabilnih polioz. Polioze se razgradijo v furfurol in sladkorje, ki v drugi stopnji medsebojno reagirajo in tvorijo netopne polimere. Učinek je odvisen od okoliščin, v katerih poteka obdelava (temperature, časa, tlaka, uporabe katalizatorjev in plinov), in materiala (lesne vrste, vlažnosti, dimenzije vzorcev). Z normalnimi temperaturnimi sušilnimi postopki dosežemo komaj zaznaven učinek dimenzijske stabilizacije, učinkovitejši pa so postopki toplotne obdelave pri močno povišanih temperaturah (do 300 stopinj Celzija). Ker obstaja pri tako visokih temperaturah nevarnost vžiga, postopki potekajo brez prisotnosti kisika v inertnih okoljih, vakuumu, nasičeni pari ali pa les segrevajo v oljih. Pozitivni učinki se kažejo na manjšem delovanju lesa, zmanjšani higroskopnosti in povečani biološki odpornosti. Delovanje visokih temperatur povzroči potemnenje lesa, ki ima nekaj časa neprijeten vonj, na lesu niso primerni vsi standardni postopki površinske obdelave in lepljenja. Neodpornost srednjega sloja celične stene proti visokim temperaturam povzroči tudi zmanjšanje trdnosti termično obdelanega lesa; najopaznejše je zmanjšanje obrabne odpornosti. Med postopkom izrazitega segrevanja je les bolj podvržen pokanju in izpadanju grč. Glede na načine toplotne obdelave lesa srečamo na trgu različne komercialne izdelke: »Thermowood« prihaja iz Finske, »Plato« so razvili na Nizozemskem, postopka »Retification« in »Perdure« sta francoskega porekla, iz Nemčije pa izvirajo toplotno obdelani lesovi v rastlinskih oljih.Slika 3: Toplotna obdelava pohodnega sloja dvoslojne talne obloge hrastovine
Slika 4: Različni barvni odtenki toplotno obdelane akacijevine za uporabo lam parketa
MODIFIKACIJA LESA Z ENCIMI
Pri proizvodnji lesnih kompozitov iz reintegriranega lesa se pogosto srečujemo z energetskimi in ekološkimi težavami, ki nastanejo zaradi sušenja ali uporabe neekoloških veziv. Encimi učinkujejo na spremembo glavnih lesnih komponent, predvsem lignina, že pri sobni temperaturi in s tem povečajo aktivacijo površine lesenih delcev. Veliko število reaktivnih mest omogoča medsebojno povezovanje in »lepljenje« lesnih delcev v kompozit z zadovoljivimi fizikalnimi in mehanskimi lastnostmi.SKLEP
Tudi v ponudbi lesenih talnih oblog vse pogosteje zasledimo močno spremenjene oziroma modificirane materiale, vendar še vedno z zaznavno strukturo in teksturo lesa. Z različnimi postopki obdelave skušamo izboljšati tiste negativne lastnosti, ki se v praksi kažejo kot najmanj obvladljive; obrabna odpornost, dimenzijska stabilnost in biološka trajnost, nikakor pa niso zanemarljive modne smernice …izr. prof. dr. Željko Gorišek, univ. dipl. inž. les.
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo
