Badania sorpcji wody przez drewno impregnowane polimerami

Badania sorpcji wody przez drewno impregnowane polimerami

PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
Badania sorpcji wody przez drewno
impregnowane polimerami
Investigations of Water Sorption through Polymer-Impregnated Wood
MARIA MUCHA, MICHAŁ TYLMAN
Celem pracy było zbadanie właściwości sorpcyjnych wody przez
drewno zaimpregnowane polimerami biodegradowalnymi. W celu
zbadania tych właściwości, próbki czterech rodzajów drewna (buku,
sosny, olchy, dębu) zaimpregnowano chitozanem oraz polilaktydem.
Drewno zaimpregnowane zostało metodą próżniową. Dla uzyskanych
próbek zaimpregnowanych polimerami, wykonano pomiary sorpcji
wody oraz wyznaczono ich izotermy. Uzyskane wyniki porównano
z próbkami drewna nieimpregnowanego.
Wyniki otrzymanych badań wykazały, że środki impregnacyjne oparte
o materiały polimerowe posiadają ogromny potencjał, który może
z powodzeniem zostać wykorzystany w ochronie drewna. Specyficzne
cechy polimerów przekazane zaimpregnowanemu nimi drewnu pozwalają nie tylko na jego ochronę przed wilgocią, ale również nadają
mu właściwości antybakteryjne i antygrzybiczne.
Słowa kluczowe: impregnacja, izotermy sorpcji, drewno, chitozan,
polilaktyd.
The aim of the study was to investigate the properties of water sorption through biodegradable polymer-impregnated wood. To examine
those properties the samples of four species of wood (beech, pine,
alder, oak) were impregnated with chitosan and polylactide. Wood
was impregnated by a vacuum method. For the obtained polymer-impregnated samples water sorption measurements were made
and their isotherms were determined. The results obtained were
compared with the samples of raw wood. The research results proved
that the impregnate agents based on polymer materials possess
great potential, which can be successfully used in wood protection.
Particular features of polymers passed on impregnated wood allow
to protect it against moisture but also giving it antibacterial and
antifungal properties.
Keywords: impregnation, sorption isotherms, wood, chitosan, polylactide.
Introduction
Wood as a widely available natural material of special properties
has found a number of applications in various branches of industry
as well as in the everyday life of humans for many years. Due
to the versatility of applications, wood during its exploitation is
exposed to several external factors which negatively influence its
Prof. dr hab. M. Mucha, mgr inż. M. Tylman, Politechnika Łódzka, Wydział
Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, ul. Wólczańska 213, 90-924
Łódź; [email protected]
Prof. PhD DSc M. Mucha, MSc M. Tylman, Faculty of Process and Environmental Engineering, Technical University of Lodz, 90-924 Lodz, 213/215
Wolczanska St.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · LIPIEC 2011
Wprowadzenie
Drewno, jako ogólnodostępny materiał naturalny o szczególnych właściwościach, od zarania dziejów jest wykorzystywane
przez człowieka, a współcześnie znajduje zastosowanie zarówno
w różnych gałęziach przemysłu, jak i w życiu codziennym ludności
całego świata. Ze względu na wszechstronność zastosowań,
drewno podczas użytkowania narażone jest na działanie szeregu
czynników zewnętrznych, wpływających negatywnie na jego
jakość (1). Do tych czynników należy zaliczyć zmienne warunki
atmosferyczne, w tym przede wszystkim zmiany wilgotności,
na które drewno jest szczególnie narażone, a także szkodliwe
działanie owadów i mikroorganizmów, jak grzyby i bakterie
rozkładające drewno. W celu zapobiegania niepożądanym
wpływom warunków zewnętrznych na strukturę drewna, od
początku jego eksploatacji starano się zabezpieczyć je różnego
rodzaju impregnatami. Pierwszymi chemicznymi preparatami
stosowanymi w ochronie drewna były wysoce szkodliwe dla środowiska preparaty typu CCA (chromowo-miedziowo-arsenowe).
Wyczulenie na czystość ekologiczną i międzynarodowa polityka
proekologiczna zmusiły do poszukiwania nowych impregnatów,
które nie tylko wykażą się dużą skutecznością w zabezpieczeniu
drewna, ale też nie będą miały negatywnego wpływu na zdrowie
i środowisko naturalne.
Ostatnie lata przyniosły wzrost zainteresowania impregnacją
pewnymi polimerami, jako związkami o szczególnych właściwościach, a jednocześnie niemających wpływu na otaczające środowisko. Mimo że dotąd nie znalazły one szerokiego zastosowania
w wieloskładnikowych preparatach impregnujących, istnieje duża
szansa, że ich niepowtarzalne właściwości zapewnią im należne miejsce w systemach ochrony drewna. Dodatki substancji
o odpowiednich właściwościach mogą wpłynąć na odporność,
wytrzymałość oraz np. ogniotrwałość zaimpregnowanych materiałów drzewnych (2-5).
Metodyka badań
Materiały
W doświadczeniu użyto chitozanu (CS) (rys. 1a) o stopniu
deacetylacji 73,316% i lepkości 256 mPas, wytworzonego przez
Morski Instytut Rybacki w Gdyni. Drugim polimerem użytym do
impregnacji drewna był polilaktyd (PLA) (rys. 1b) wyprodukowany przez Cargill Dow Polymers LLC w postaci granulatu.
Do usieciowania chitozanu użyto 1% roztworu aldehydu glutarowego w wodzie, dostarczonego przez firmę Sigma-Aldrich
Chemie GmbH. Rozpuszczalnikiem chitozanu był 1% roztwór
429
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
Rys. 1. Wzory strukturalne: a) chitozanu (CS), b) polilaktydu (PLA)
Fig.1 Structural formulas: a) chitosan (CS), b) polylactide (PLA)
wodny kwasu octowego, natomiast roztwór PLA sporządzono
rozpuszczając go w chlorku metylenu.
Do impregnacji stosowano 0,6% roztwór chitozanu w kwasie
octowym, usieciowany aldehydem glutarowym, którego stosunek masowy do suchej masy chitozanu wynosił 1:100. Roztwór
0,75% PLA w chlorku metylenu uzyskano przez rozpuszczenie
1,5 g granulek PLA w 150 ml rozpuszczalnika. Rozpuszczanie
prowadzono z użyciem mieszadła magnetycznego w stabilizowanej temperaturze 40°C.
Impregnację prowadzono na próbkach czterech gatunków
drewna (buk, olcha, sosna, dąb), o wymiarach 20x30x3,5 mm.
Próbki zostały wykonane z drewna drzew liściastych (buk –
gęstość próbki d ≈ 0,67 g/cm3, olcha d ≈ 0,46 g/cm3, dąb d ≈
0,57 g/cm3) oraz iglastych (sosna d ≈ 0,42 g/cm3), ponieważ
różnice w budowie tych rodzajów drewna mogą mieć wpływ
na ilość wchłoniętej przez nie wilgoci oraz podatność na impregnację. Drewno drzew iglastych odznacza się prostą budową
morfoloficzną, w porównaniu do drewna drzew liściastych,
w których budowie anatomicznej rozróżnia się więcej elementów
wchodzących w ich skład. Drewno sosnowe posiada w swojej
budowie przewody żywiczne i silnie zażywiczone, co znacznie
może utrudnić impregnację (6-9).
Impregnacja
Impregnacja przebiegała w kilku etapach i była prowadzona
w komorze do impregnacji próżniowej „ARTVAC”. Pierwszym
etapem impregnacji było umieszczenie na dnie komory naczynia
z cieczą impregnującą, czyli 0,6% roztworem chitozanu (CS).
Następnie zawieszono wysuszone i zważone próbki drewna
na ruchomym ramieniu, znajdującym się w centralnej części
komory próżniowej, nad naczyniem z impregnatem. Próbki
uprzednio wysuszono w temperaturze 100-103°C w suszarce
laboratoryjnej. Komorę zamknięto, uszczelniono, a następnie
zaczęto wypompowywać z niej powietrze. Proces prowadzono
do momentu uzyskania w aparacie podciśnienia 0,8 bara, co
pozwoliło na odpowietrzenie próbek drewna. Kolejnym etapem
było obniżenie ruchomego ramienia komory, tak, by spowodować
zanurzenie próbek drewna w roztworze impregnatu. Po tym etapie
zapowietrzono komorę, co pozwoliło na wniknięcie impregnatu
w głąb próbek. Zaimpregnowane próbki poddano suszeniu w temperaturze 85°C, co spowodowało usunięcie zawartych w próbkach rozpuszczalników. Identyczny zabieg przeprowadzono dla
próbek impregnowanych 0,75% roztworem PLA.
Badanie ilości wchłoniętego impregnatu
Próbki drewna zostały zważone przed i po impregnacji, co
dało możliwość określenia ilości impregnatu, który został przez
nie wchłonięty.
430
quality (1). These factors may include the changing atmospheric
conditions, first and foremost changes in humidity to which wood
is particularly exposed as well as a detrimental impact of insects
and microorganisms such as fungi and bacteria putrefying wood.
To prevent the undesirable impact of the external conditions on
the structure of wood from the onset of its exploitation an attempt
was made to protect it (wood) with impregnates of various types.
The first preparations applied to the protection of wood were the
preparations of CCA type (chromic-cupric-arsenic) which were
highly detrimental to the environment. The orientation on the
problems of ecological purity and the international pro-ecological
poliCY evoked the necessity of searching for new impregnates
which will not only display a high efficacy in protection of wood
but also will not have a negative influence on the surrounding
environment.
The recent years have brought an increase of the interest in the
topic of impregnation with polymers understood as compounds
of special properties but which do not have an impact on the
surrounding environment. Despite the fact that polymers have
not found a wide application in multi-component impregnating
preparations, there is a great chance that their unique properties
will ensure them prominent places in the wood protection systems. The addition of substances of the appropriate properties
may affect resistance, strength and, for instance, fire-proofness
of impregnated materials (2-5).
Materials and Methods
Materials
In the experiment chitosan (CS) (Fig.1a) of the acetylation
degree 73,316% and the viscosity 256 mPas, produced by the
Sea Fisheries Institute in Gdynia, was utilized. The second polymer used in the impregnation process was polylactide (PLA)
(Fig. 1b) manufactured by the Cargill Dow Polymers LLC company.
To crosslink chitosan, 1% glutaric aldehyde water solution,
produced by the company Sigma – Aldrich Chemie GmbH Germany, was used. The chitosan solvent was 1% acetic acid water
solution whereas PLA solution was prepared dissolving chitosan
in methylene chloride.
The 0.6% chitosan solution in acetic acid, crosslinked with
glutaric aldehyde whose mass ratio to dry mass of chitosan
was equal to 1:100 was used for impregnation. The 0.75% PLA
solution in methylene chloride was obtained by dissolving 1.5 g
of PLA in 150ml of the solvent. The process of dissolving was
carried out utilizing a magnetic stirrer at the stabilizing temperature of 40oC.
Impregnation was carried out on the samples of four wood
species of dimensions 20x30x3.5 mm. The samples were
produced from deciduous trees (beech, density of samples d ≈
0,55 g/cm3, alder d ≈ 0,46 g/cm3 and oak d ≈ 0,57 g/cm3) and
conifers (pine, d ≈ 0,42 g/cm3). Samples contain heartwood.
Differences in the structure of all those types of wood may have
an influence on their moisture content and their ability to be impregnated. Wood of conifers is characterized by a less complex
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · LIPIEC 2011
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
structure than wood of deciduous trees. Furthermore, conifers
(pine) possess resin tubes; simultaneously, their wood is highly
saturated with resin which may considerably impede the process
of impregnation (6-9).
Impregnation
The process of impregnation took place in several stages and it
was carried out by means of a chamber for vacuum impregnation
(„ARTVAC”). The first stage of impregnation was placing a vessel
with an impregnating liquid, in other words the 0.6% chitosan
solution (CS) or the 0.75% PLA solution, at the bottom of the
chamber. Next, dried and weighted wood samples were placed
on the movable arm, located in the central part of the vacuum
chamber above the vessel with the impregnate. The samples
were previously dried at the temperature of 100-103°C in the
laboratory dryer. The chamber was closed, sealed and then the
air was removed from this chamber. The process was carried out
up to the moment of attaining pressure of 0.8 bar in the apparatus which permitted degasification of the wood samples. The
subsequent stage was to lower the movable arm of the chamber
which contributed to the immersion of the wood samples in the
solution of the impregnate. After this stage, the chamber was
filled with air which allowed the impregnate to penetrate inside
the samples. The impregnated samples underwent drying at the
temperature of 85oC, resulting in the removal of solvents present
in the samples. The obtained samples were subjected to further
investigations.
Investigation of the quantity of adsorbed impregnate
The wood samples were weighted before and after the process
of impregnation which gave the possibility of determination of
quantity of adsorbed impregnate.
The percentage quantity of impregnate which was adsorbed by the
wood samples was derived from the following dependence [1]:
z=
mm − m s
⋅ 100 %
ms
[1]
Where:
z – the content of the impregnate in the sample expressed as
percentage,
mm – mass of the wood saturated with the impregnate,
ms – mass of the dry wood before impregnation.
It was observed (Fig. 2) that the wood samples of beech and
alder adsorbed similar quantities of both impregnates which are
as follows: z= 3.2% of chitosan and z=3.5% of polylactide. It
must be underlined that in the process of impregnation pine adsorbed the greatest amount of chitosan out of all wood samples
equal to z=5.2% but, simultaneously adsorbed PLA to a least
extent attaining z=1.8%. Beech wood was the least prone to
impregnation attaining z=1.2%.
Measurement of water sorption
Raw wood samples and impregnated wood samples previously
dried to constant mass were subjected to the investigations of
sorption of water from the vapour phase. The measurement of
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · LIPIEC 2011
Rys. 2. Ilość wchłoniętego impregnatu przez poszczególne próbki drewna
Fig. 2. Quantities of adsorbed impregnate for particular wood samples
Procentową ilość impregnatu, który został wchłonięty przez
próbki drewna, określono za pomocą zależności [1].
z=
mm − m s
⋅ 100 %
ms
[1]
gdzie:
z – zawartość impregnatu w próbce wyrażona w procentach,
mm – masa drewna nasyconego środkiem impregnującym,
ms – masa drewna suchego przed impregnacją
Zaobserwowano (rys. 2), że próbki drewna buku i olchy
wchłonęły podobne ilości obu impregnatów, w granicach 3,2%
chitozanu i 3,5% polilaktydu. Sosna wchłonęła największą ilość
chitozanu ze wszystkich próbek drewna, jednocześnie najsłabiej
wchłonęła PLA. Drewno buku najsłabiej poddało się impregnacji
chitozanem, pochłaniając go 1,2%.
Pomiar sorpcji wody
Próbki drewna surowego oraz zaimpregnowanego poddano
badaniu sorpcji wody z fazy parowej. Pomiaru wilgoci w próbkach
dokonano wprowadzając je do eksykatorów z różnymi nasyconymi roztworami soli. W każdym eksykatorze nad roztworem panowała inna wilgotność względna powietrza (aktywność wody), co
powodowało wchłanianie różnych ilości wilgoci przez próbki.
W tabeli 1 przedstawiono wartości aktywności wody nad
roztworami różnych soli w poszczególnych eksykatorach.
Próbki przebywały w każdym z eksykatorów przez 48 godzin,
a następnie były ważone.
Ilość wilgoci X w drewnie określono ze wzoru [2].
X =
m − md
md
[2]
gdzie:
X – ilość wilgoci wchłoniętej przez próbkę [kg H2O/kg s.m.],
m – masa wilgotnej próbki,
md – masa suchej próbki.
431
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
Tabela 1. Aktywności wody nad poszczególnymi roztworami soli
Table 1. Water activities above particular salt solutions
Wodny roztwór nasyconej soli
w eksykatorze
Water solution of saturated salt
in exiccator
Aktywność wody (aw)
nad roztworem tconst.=25°C
Water activity (aw) above the solution at tconst.=25°C
CH3COOK
0,234
K2CO3
0,443
Mg(NO3)2
0,536
NaNO2
0,654
NaCl
0,765
BaCl2
0,904
H20
1,000
X =
Omówienie wyników badań
Różnice w otrzymanych masach pochłoniętej wilgoci pozwoliły
na wykreślenie izoterm sorpcji, za pomocą programu ORYGIN
5.0. Izotermy sorpcji zostały dopasowane według modelu GAB,
który przybliżano równaniem [3].
c ⋅ k ⋅ aw
X
=
X m (1 − k ⋅ a w ) ⋅ [1 + (c − 1) ⋅ k ⋅ a w ]
m − md
md
[2]
Where:
X – moisture content adsorbed by the sample [kg H 2O/kg
d.m.],
m – mass of the wet sample,
md – mass of the dry sample.
Results and Discussion
[3]
gdzie:
X – zawartość wody przypadająca na masę suchego materiału,
X m – zawartość wilgoci w monowarstwie materiału,
aw=p/ps – aktywność wody definiowana jako ciśnienie pary
wodnej nad próbką do ciśnienia pary wodnej nad czystą wodą
w tej samej temperaturze,
k=ed/RT – parametr równania GAB,
d – energia potrzebna do transportu wody wewnątrz wielowarstwowego absorbentu,
R – stała gazowa,
T – temperatura bezwzględna procesu.
Izotermy sorpcji wody dla polimerów
W pierwszym doświadczeniu wykonano pomiar ilości pary
wodnej zaadsorbowanej przez czyste polimery użyte w doświadczeniu. Pozwoliło to na określenie wpływu, jaki może
wywierać ich obecność w zaimpregnowanym drewnie. PLA
w czystej postaci chłonie wodę w bardzo małej ilości, ok.
6 g na każdy kilogram suchej masy polimeru, przy wilgotności
względnej otoczenia około 60% (rys. 3). W przypadku chitozanu
(rys. 4) ilości te są znacznie większe. W tej samej wilgotności,
ilość pochłoniętej pary wodnej wynosi około 110 g na kilogram
suchej masy polimeru.
Izotermy sorpcji wody dla czystego drewna
Następnie wykonano pomiary sorpcji pary wodnej dla surowych próbek drewna. Uzyskane wyniki wykazały (rys. 5), że
drewno dębu, sosny i buku sorbuje parę wodną w podobnych
ilościach. Natomiast drewno olchowe w tych samych warunkach
sorbuje znacznie mniej wody niż pozostałe próbki.
Zgodnie z przewidywaniami, drewno zaimpregnowane PLA
wykazało w znacznym stopniu obniżoną zdolność do pochłaniania
wilgoci (rys. 6), w stosunku do surowego drewna. Uwidacznia
się to zwłaszcza przy dużych i średnich wartościach wilgotności
powietrza. Z porównania izoterm sorpcji dla próbek różnych gatunków drewna zaimpregnowanego PLA wynika, że próbki, które
w procesie impregnacji pochłonęły dużo impregnatu, wchłaniają
znacznie mniej wody.
432
moisture content in the samples was made placing the samples to
exiccators with various saturated salt solutions. In each exiccator
different air humidity (water activity) was over the solution which
contributed to the adsorption of various moisture contents by the
samples. In Table 1 the values of water activity over the solutions
of various salts in particular exiccators are presented.
The samples were present for 48 hrs in each exiccator and
then weighted. The moisture content X was determined from the
following formula [2]:
Various quantities of adsorbed moisture content X with various
aw allowed to determine the isotherms of water sorption X=f(aw)
by the program ORIGIN 5.0, the experimental sorption isotherms
were adjusted to a GAB model defined by Equation [3] which is
as follows:
c ⋅ k ⋅ aw
X
=
X m (1 − k ⋅ a w ) ⋅ [1 + (c − 1) ⋅ k ⋅ a w ]
[3]
Where:
X – water content per mass of the dry material,
X m – moisture content in the material monolayer,
aw=p/ps – water activity defined as water vapour pressure
over the sample to water vapour pressure over pure water
AT the same temperature,
k=ed/RT – parameter of GAB equation,
d – energy needed for water transport inside the multi-layer
adsorbent,
R – gas constant,
T – temperature of the process.
Polymer sorption isotherms
To determine the hydrophilicity of the polymers applied to
impregnation, the measurement of moisture content adsorbed by
pure polymers CS and PLA utilized in the experiment was made.
Their sorption isotherms were obtained which may be seen in
Fig. 3 and 4. This allowed to define the influence which may be
exerted by their presence in the impregnated wood. PLA in a
pure form adsorbs water in a very small quantity of ca. 6g per
each kilogramme of polymer dry mass with humidity of ca. 60%
(aw=0.6) (Fig. 3). In case of chitosan (Fig. 4) those quantities
are much higher. With the same water activity aw (humidity), the
quantity of the adsorbed water vapour is equal to ca. 110 g per
kilogramme of polymer dry mass.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · LIPIEC 2011
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
Rys. 3. Izotermy sorpcji wody dla PLA
Fig.3. Water sorption isotherms for PLA
Rys. 4. Izotermy sorpcji wody dla chitozanu
Fig. 4. Water sorption isotherms for chitosan
Water sorption isotherms for pure wood
Next, water vapour sorption measurements for raw wood
samples were performed. The elaborated results in the form of
water sorption isotherms proved that oak, pine and beech wood
absorbs water vapour in similar quantities (Fig. 5). On the other
hand, alder wood absorbs water to a much lesser extent than the
remaining samples under the same conditions.
Water sorption isotherms of impregnated wood
In accordance with the expectations, PLA impregnated wood
displayed a considerably decreased ability to absorb moisture
(Fig. 6) when compared to raw wood. This is revealed particularly
with high and medium values of the humidity in the surrounding
air. Comparison of sorption isotherms of samples of various
types of wood impregnated with PLA indicates that the samples,
which in the process of impregnation absorbed more impregnate,
displayed a considerable limitation of the quantity of absorbed
water.
In case of oak wood (Fig. 7) an increase in sorption abilities was
observed for the chitosan impregnated wood in relation to raw
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · LIPIEC 2011
Rys. 5. Porównanie izoterm sorpcji dla drewna surowego
Fig. 5. Comparison of sorption isotherms for raw wood
Rys. 6. Porównanie izoterm sorpcji dla drewna zaimpregnowanego PLA
Fig. 6. Comparison of sorption isotherms for PLA impregnated wood
W przypadku drewna dębu (rys. 7) zauważono wzrost zdolności
sorpcyjnych wody przez próbkę zaimpregnowaną chitozanem
w stosunku do próbki surowego drewna. Impregnacja PLA
obniżyła tę zdolność, szczególnie w zakresie średnich i dużych
wilgotności.
Drewno buku (rys. 8) charakteryzowało się podobną ilością
wody zaadsorbowanej przez próbkę surowego drewna i zaimpregnowanego chitozanem. Impregnacja PLA ograniczyła
chłonność wody nawet o 45% w bardzo wilgotnych warunkach
(aw 0,8 – 0,9).
Kinetyka sorpcji drewna
Dla badanych próbek wykreślono również krzywe kinetyczne
sorpcji pary wodnej. Krzywe te określają zależność przyrostu
zawartości wody w funkcji czasu. Zmiany w masie wilgoci próbek obserwowano przez 300 godzin prowadzenia procesu (rys.
10). Na rysunku 9 przedstawiono krzywe kinetyczne sorpcji dla
surowego drewna, w ciągu pierwszych pięciu godzin procesu.
W tym czasie zmiany zachodziły najszybciej, drewno chłonęło
największą ilość wody.
Rysunek 10 przedstawia krzywe kinetyczne sorpcji nieimpregnowanego drewna, w czasie 300 godzin prowadzenia procesu.
433
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
Rys. 7. Izotermy sorpcji wody dla próbek drewna dębu surowego oraz
zaimpregnowanego chitozanem i PLA
Fig. 7. Water sorption isotherms for raw oak wood samples and wood
samples impregnatedwith chitosan and PLA
Rys. 9. Krzywe kinetyczne sorpcji nieimpregnowanego drewna dębu i sosny
Czas 5 godzin
Fig. 9. Kinetic curves of sorption of oak and pine non-impregnated wood.
Time: 5 hours
Rys. 8. Izotermy sorpcji wody dla próbek drewna buku surowego oraz
zaimpregnowanego chitozanem i PLA
Fig. 8. Water sorption isotherms for raw beech wood samples and wood
samples impregnated with chitosan and PLA
Rys. 10. Krzywe kinetyczne sorpcji nieimpregnowanego drewna dębu
i sosny. Czas 300 godzin
Fig. 10. Kinetic curves of sorption of oak and pine non-impregnated wood.
Time 300 hrs, aw=0.904.
Próbki różnego drewna, mimo to, iż początkowo z różną prędkością chłoną wilgoć, w końcowych etapach procesu osiągają
podobną wilgotność.
Opierając się na krzywych kinetycznych i uproszczonym
równaniu Ficka (krótkie czasy dyfuzji), obliczono efektywny
współczynnik dyfuzji D za pomocą równania [4]:
wood. Impregnation with PLA decreased this ability particularly
in the range of medium and high humidity levels.
Beech wood (Fig. 8) was characterized by a similar quantity of
water adsorbed by the raw sample and the sample impregnated
with chitosan. Impregnation with PLA limited the adsorptiveness
of water even by 45% under very wet conditions (aw 0.8 -0.9).
gdzie:
L – grubość próbki [cm],
t – czas [sek],
Xt – masa wilgoci po czasie t,
– masa wilgoci w stanie nasycenia.
434
[4]
Water sorption kinetics through wood
The kinetic curves of water vapour sorption were determined
as well for chosen samples. Those curves define the dependence
of moisture content increase X in the function of time. Changes
in the quantity of moisture content of the samples were observed up to 300 hrs of the conduction of the process. In Figure
9 the kinetic curves of sorption for raw wood are presented in
the course of the first five hours of the process. In that period
changes occurred the most rapidly, wood adsorbed the greatest
amount of water.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · LIPIEC 2011
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE
Figure 10 presents the kinetic curves of sorption for nonimpregnated wood aw=0.904 at the time of 300 hrs of conduction
of the process. The samples of various types of wood, in spite
of the fact that initially they absorb moisture with varying rate,
at the final stages of the process they attain a similar moisture
quantity.
Based on the kinetic curves, using the simplified Fick’s equation
(short time diffusion) the effective diffusion coefficient D was
determined with the application of Eq. [4] which is as follows:
[4]
where:
L – thickness of the sample [cm],
t – time [sek],
Xt – moisture mass after time t,
X ∞ – moisture mass in the saturated state.
For non-impregnated oak wood the calculated diffusion coefficient was equal to 9.35•10 -8[cm2 /g] whereas for pine wood it
was equal to 25.5•10-8[cm2 /g].
Conclusions
The investigations which were carried out proved that vacuum
impregnation is a good method of wood impregnation using polymer solutions. Depending on the type of wood the Authors succeeded in introducing 1 to 5% w/w polymer into the samples. The
results indicate that beech and alder wood is capable of absorbing
both polymers used for impregnation in similar quantities. Pine
wood subjected to chitosan impregnation in a satisfactory way
whereas it absorbed very little quantities of PLA. Determination of
water sorption isotherms for pure polymers allowed to predict the
sorption abilities of polymer-impregnated wood. Chitosan absorbs
considerable quantities of water vapour (more than 100 g/kg
d.m. in moisture content equal to 60%) whereas PLA is capable
of absorbing 6 g/kg of dry mass under the same conditions. Due
to the fact that it is much less than raw wood samples absorb,
impregnation with PLA contributes to the limitation of moisture
absorption which was confirmed by the investigations conducted.
Impregnation with the application of chitosan slightly increases
the quantity of water absorbed by the samples. The effect of
wood moisture content, unbeneficial for its stability, is in this
case compensated by the antifungal and antibacterial properties
of chitosan. Both polymers display a number of unique properties
they may confer to the wood impregnated by those polymers.
Further investigations concerning this subject in the future will
allow to generate the impregnate (composites or mixtures) which
will protect wood against moisture or parasites as well as will
confer fireproof properties to wood and it will increase wood
mechanical strength. So orientated investigations will allow for the
appropriate protection of wood not only for building engineering
applications but also for the protection of old works of art such
as picture frames and others.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · LIPIEC 2011
Dla nieimpregnowanego drewna dębu obliczony współczynnik
dyfuzji wynosił 9,35·10-8 [cm2 /g], natomiast dla nieimpregnowanego drewna sosny był równy 25,5·10 -8 [cm2 /g].
Wnioski
Przeprowadzone doświadczenia pokazały, że próżniowa impregnacja jest dobrą metodą impregnacji drewna polimerami.
W zależności od rodzaju i gatunku drewna udało się wprowadzić
do próbek od 1 do ponad 5% wagowych polimeru. Pomiary wykazały, że drewno buku i olchy jest w stanie wchłonąć podobne
ilości obu polimerów użytych do impregnacji. Sosna bardzo
dobrze poddała się impregnacji chitozanem, natomiast wchłonęła
bardzo małe ilości PLA. Wyznaczenie izoterm sorpcji dla czystych
polimerów pozwoliło przewidzieć zdolności sorpcyjne drewna
nimi zaimpregnowanego. Chitozan sorbuje znaczne ilości pary
wodnej (ponad 100 g/kg s.m. w wilgotności 60%); PLA w tych
samych warunkach jest w stanie wchłonąć 6 g/kg suchej masy.
Ponieważ jest to znacznie mniej niż sorbują surowe próbki drewna,
impregnacja PLA powoduje ograniczenie wchłaniania wilgoci,
co potwierdziły wykonane badania. Impregnacja roztworem
chitozanu nieznacznie zwiększa ilość sorbowanej wody przez
próbki. Niekorzystny dla trwałości drewna efekt jego wilgotności
jest w tym przypadku rekompensowany przez antygrzybiczne
i antybakteryjne działanie chitozanu.
Jak wykazały przeprowadzone badania, badane polimery
posiadają szereg unikatowych właściwości, które mogą przekazać zaimpregnowanemu nimi drewnu. Dalsze badania w tym
zakresie w przyszłości pozwolą na opracowanie impregnatu,
który zabezpieczy drewno przed wilgocią oraz pasożytami,
a także nada mu właściwości ogniotrwałe lub zwiększy jego
wytrzymałość mechaniczną. Tak ukierunkowane badania pozwolą
na odpowiednie zabezpieczenie drewna, nie tylko do zastosowań
w budownictwie, ale również ochronie starych dzieł sztuki, takich
jak ramy obrazów i inne.
LITERATURA/LITERATURE
1.Kim S.S., Yu N.H., Hwang I.U.: “Characteristics of wood-polymer composite for journal bearing materials”, Composite Structures 86, 279-284
(2008).
2.Baysal E., Yalinkilic M.K., Altinok M.: “Some physical, biological, mechanical, and fire properties of wood polymer composite (WPC) pretreated with
boric acid and borax mixture”, Construction and Building Materials 21,
1879-1885 (2007).
3.Stolf D.O., Rocco F.A.: “Wood-Polymer Composite: Physical and Mechanical Properties of Some Wood Species Impregnated with Styrene
and Methyl Methacrylate”, Materials Research 7, 4, 611-617 (2004).
4.Szczuka J., Żurowski J.: „Materiałoznawstwo przemysłu drzewnego”,
WSIP, Warszawa 1999.
5.Ważny J., Karysia J.: „Ochrona budynków przed korozją biologiczną”,
Arkady, Warszawa 2001.
6.Eikens M., Alfredsen G., Christensen B.: “Comparison of chitosan with
different molecular weights as possible wood preservatives”, J. Wood
Sci. 51, 387-394 (2005).
7.Oksman K., Lindberg H.: “Interactions between wood and synthetic
polymers”, Holzforschung 49, 249-254 (1995).
8.Larnøy E., Eikenes M., Militz H.: “Uptake of chitosan based impregnation
solutions with varying viscosities in four different European wood species”
Holz als Roh- und Werkstoff 63, 456–462 (2005).
9. Modrzejewski K., Olszewski J., Rutkowski J.: „Metody badań w przemyśle
celulozowo-papierniczym”, Skrypt PŁ, Łódź 1977.
435