HUP0900567A2 - Composition for heat treatment of wood and process for treatment of it - Google Patents

Description

Anyagkeverék faanyag hőkezeléséhez, valamint eljárás faanyag kezelésére

A találmány faanyag hőkezeléséhez való anyagkeverékre, valamint faanyag kezelésére szolgáló eljárásra vonatkozik.

A faanyagok termikus kezelése, hőkezelése már régóta ismert technikának számít. Ezen kezelések során a faanyag un. termikus modifikálódáson esik át, amelynek hatására az abból készülő termékek, elemek jobban ellenállnak a külső behatásoknak, illetőleg különféle előnyös tulajdonságokra tesznek szert. Ilyen megoldást ismertetnek például a 199 088 sz. magyar szabadalmi leírásban.

A technika állása szerinti hőkezelésekhez, termikus modifikációkhoz a faanyagot általában gáznemű vagy folyékony közeggel veszik körül. Ennek hátránya, hogy a fa tömege a kezelés során általában jelentősen lecsökken, és az abból kilépő anyagok (kátrány, illóanyag) külön anyagkezelést, környezetvédelmi intézkedéseket tesznek szükségessé.

Ismertek olyan megoldások is, amelyekben a termikus modifikációhoz a hőkezelendő faanyagot szilárd szemcsés anyaggal veszik körül; egy ilyen megoldást ismertetnek a P 08 00358 sz. magyar szabadalmi leírásban. Ezen megoldás szerint a kezelendő faanyagot kősóval (NaCI), illetve legalább 20 tömeg%-ban kősót tartalmazó keverékkel fedik le, és a hőkezelést a faanyag lefedett állapotában végzik. A megoldás szerint az anyagkeverékben minimum 20 tömeg% kősó tartalom szükséges ahhoz, hogy annak előnyös tulajdonságai jelentkezzenek. Ezen megoldás hátránya, hogy a kősó a magas disszociációs képessége miatt sok szabad Cl’-t visz a környezetbe, ami a környezeti hatásait tekintve rendkívül agresszív; azt a növények nem tudják hasznosítani, feldolgozni. A ΟΓ elektronegativitása nagy (a Pauling skála szerint: 3,16), és

-2vízben oldott állapotban korrodál, ami a kezelési technológia során jelentős korróziós problémát okoz az eljáráshoz használt berendezések, tartályok fém (vas) anyagában, valamint a környezetében található épületek, gépkocsik fémtartalmú elemeiben. A fokozott korrózióvédelmi intézkedések szükségessége jelentősen megdrágítja a hőkezeléshez való berendezést. További problémát jelent, hogy a kősóban lévő magnézium- és kalciumsók cementációs hatása miatt a só a hőkezelés után idomtalan sótömbbé alakul. Ennek őrlése jelentős többletmunkát igényel az újrahasznosítás során. Hátrány az is, hogy a kősó viszonylag magas fajlagos tömege miatt a megoldásban megerősített tartószerkezetre, valamint nagyobb hőbevitelre van szükség.

A találmány a technika állása szerinti megoldások hátrányainak eliminálását célozza. A találmányhoz vezető kutatómunka során felismertem, hogy épp a fent hivatkozott, P 08 00358 sz. magyar szabadalmi bejelentésben szereplő megoldással ellentétes fejlesztési irány a kívánatos. Felismertem, hogy a hőkezeléshez alkalmazandó, a faanyagot körülvevő anyagkeverékben a NaCI tartalom minimalizálandó. A kísérletek során úgy találtam, hogy amennyiben az anyagkeverékben a NaCI tartalom nem haladja meg a 10 tömeg%-ot, úgy a NaCI káros hatásai már elhanyagolhatók, azok nem jelentkeznek. Felismertem azt is, hogy az anyagkeveréknek legalább 5 tömeg% csomósodási gátló anyagot, valamint legalább 20 tömeg% vízfelvevő/leadó anyagot kell tartalmaznia ahhoz, hogy hatékonyan kezelhető és funkcionáló megoldást érjünk el. A találmány szerint továbbá az anyagkeverék kívánt térfogatának eléréséhez és az anyagkeverék hővezetésének biztosításához szükséges mennyiségű, de legalább 5 tömeg% hővezető töltőanyagot is tartalmaz.

A találmány szerinti feladatot az 1. igénypont szerinti anyagkeverékkel és a 8. igénypont szerinti eljárással értem el. A találmány előnyös kiviteli alakjai az aligénypontokban vannak meghatározva.

A találmány megalkotásához a faanyagban lévő sejtek diffúziós és ozmózisnyomáson alapuló tulajdonságát vizsgáltam. Az elhalt növényi sejtek elfásult fala bizonyos oldatoknak, oldatokban jelenlévő ionoknak oda-vissza átjárható. Az elméletem szerint a találmány szerinti anyagkeveréknél a kezelés

-3során a fából eltávolított nedvesség először a fát körülvevő szilárd sókkal érintkezik, azok ionkötését megbontva hidrolizál. így megteremti annak lehetőségét, hogy ozmózis és diffúziós folyamat által a különböző anionok és kationok a fasejt falán keresztül a sejtekbe kerüljenek. Az itt elsősorban a Na⁺, K⁺, Ca⁺, Mg⁺ kationokra és Cl’, PO4²', SO4²' anionokra gondolok.

A kezelés folyamán már 80 °C hőmérsékletnél megkezdődik a fában lévő nedvességtartalom eltávozása az őt körülvevő anyagokba, amelyek a vízzel hidrolizálnak és megkezdődik az ionok vándorlása is a sejtfalon keresztül. A víz kivonásánál lényeges szempont, hogy az kíméletesen történjen. Ezért fontos, hogy az ásványi sók mellett még további vízfelvevő/leadó anyagot is alkalmazzunk az anyagkeverékben, amely először fizikailag felveszi a vizet, majd a hőmérséklet további növelésének hatására azt le is adja.

A hőkezelési eljárás során tehát először a víz kivonása történik meg a faanyagból, diffúzió és ozmózis útján vízfelvevő/leadó (azaz pl. vízben oldódó, higroszkópos és/vagy vízmegkötö) anyag által. Ezen folyamat hatékony megvalósításához az anyagkeveréknek legalább 20 tömeg% vízfelvevő/leadó anyagot kell tartalmaznia.

A találmány szerinti anyagkeverékben hőközvetítő, hővezető anyagokat is kell alkalmazni, hogy minél jobb hőkezelés valósuljon meg a hőforrás és a cellulóz tartalmú faanyagok között. Ezek az anyagok praktikusan töltőanyagként is viselkednek, azaz a faanyag ellepéséhez szükséges mennyiségre, volumenre duzzasztják az anyagkeveréket. Ezen összetevő mennyisége igazodik az aktuális alkalmazáshoz és alkalmazandó volumenhez, de a megfelelő hőközvetítés elérésére minimálisan 5 tömeg% mennyiségűnek kell lennie.

A találmány szerinti anyagkeverék ezeken túlmenően a porszerű, kezelő anyag csomósodásának megakadályozására szolgáló összetevőt is tartalmaz. Kísérleteim szerint az anyagkeveréknek legalább 5 tömeg% csomósodásgátló anyagot kell tartalmaznia ahhoz, hogy a tömbösödést elkerüljük.

A találmány szerinti anyagkeverékkel való hőkezelési eljárásnál, a szilárd halmazállapotú, azaz granulátum vagy por alakú anyaggal lefedjük a kezelendő

-4faanyagot, hogy azt a levegőtől, oxigéntől elzárjuk. A hőkezelés, azaz a termikus modifikálás során a sejtfalon keresztül vizet vonunk ki a sejtekből, csökkentve annak kötött víz tartalmát. Ezt irreverzibilissé visszafordíthatatlanná tesszük azáltal, hogy a faanyagot ezután magasabb hőmérsékleten, előnyösen 60 - 240 °C között hosszabb ideig, előnyösen 6-48 óráig hőkezeljük.

A fentiek szerinti vízfelvevő/leadó anyag például vízben oldódó, higroszkópos és/vagy vízmegkötő anyag is lehet. Ezek célszerűen higroszkópos sók, vegyületek, például különböző kloridok, foszfátok vagy karbonátok. Különösen előnyösnek bizonyult a magnézium-szulfát, nátrium-szulfát, kalcium-szulfát, nátrium-karbonát, nátrium-acetát, kálium-klorid, magnézium-klorid, kalciumklorid, zeolitok, magnézium-oxid, szilikagél, illetőleg ezek bármilyen keveréke.

A KCI nem higroszkópos, de vízben jól oldódik, így jó vízmegkötő tulajdonságú. A környezetre nincs olyan agresszív hatása, mint a NaCI-nak (a növények műtrágyaként fel tudják dolgozni), viszont a fémekre gyakorolt korrodáló hatás szintén jelentős.

A MgCI₂, CaCfe anyagok erősen higroszkópos hatásúak, vízben jól oldódnak, így jó vízmegkötő tulajdonságúak. A környezetre nincs olyan agresszív hatásuk, mint a NaCI-nak (a növények műtrágyaként fel tudják dolgozni), viszont a fémekre gyakorolt korrodáló hatásuk szintén fennáll. Használatuknál figyelembe kell venni, míg a MgCI₂ vízben gyenge savként viselkedik, addig CaCI₂ gyenge bázis.

Az anyagkeverék összeállításánál a ΟΓ iont tartalmazó vegyületekkel óvatosan kell bánni. A NaCI-t a fent említett okok miatt - amennyire lehet - mindenkép kerülni kell. A többi hasonló vegyület alkalmazásánál is óvatosan kell eljárni, azokat csak alacsonyabb koncentrációban (5 - 20 tömeg%) ajánlatos használni.

A találmány szerinti anyagkeverékben szereplő hővezető töltőanyag előnyösen a következő csoportból van kiválasztva, illetve a csoport egy vagy több tagjának keveréke képezi: nátrium-szulfát, nátrium-acetát, kalcium-klorid, oxid kerámiák, alumínium-oxid, klinkerásványok, talkum. Hővezető töltőanyagként előnyösen

-5olyan anyagot kell alkalmazni, amely maga is vízben jól oldható, esetleg kristályvíz felvételére is képesek. Ily módon a kezelendő faanyag vízháztartásának hőkezelés közbeni alakulását a hővezető töltőanyag megválasztásával is szabályozhatjuk.

Hőközlő töltőanyagként való alkalmazásra tehát kevésbé alkalmasak a halogenidek sói, valamint a SO4²·, PO4²’, CO3', SiO₃ ²’ gyökök sói. Ezek ugyanis önmagukban nem higroszkóposak (a levegő nedvesség tartalmát nem kötik meg). Jó hatásfokú azonban a Na₂SO₄, vagy K₂SO₄, amelyek hasonlóképp disszociálnak mint a nátrium-acetát, vagy CaSO₄ melynek kristályrács szerkezete a NaCI-hoz hasonló.

A csomósodásgátló anyag a felületeken hatva az anyagkeverék különálló részecskéinek összetapadásra való hajlamát csökkenti, és előnyösen a következő csoportból van kiválasztva, illetve a csoport egy vagy több tagjának keveréke képezi: oxid kerámiák, alumínium-oxid, klinkerásványok (pl. AI₂O₃, Fe₂O₃ +CaO), zeolitok, magnézium-oxid, talkum (zsírkő daráléka), szilikagél. A különféle aluminátokon kívül a fentiekben már említett szilikagélnek, és zeolitoknak is van csomósodás gátló tulajdonsága.

A találmány szerinti anyagkeverékben alkalmazandó anyagokkal szemben a következő fő követelményeket támasztjuk, illetőleg támpontokat rögzítjük:

- A vegyületeknek és/vagy keverékeknek -40 C° és +300 C° között szilárd halmazállapotúnak kell lenniük; ezen hőmérsékleti tartományban nem olvadhatnak meg és nem bomolhatnak el.

- Az anyagkeverék összeállításánál figyelembe kell venni, hogy savas, bázikus vagy semleges hatású vizes oldatra van-e szükség.

- A vegyületek és/vagy keverékek szemcsemérete előnyösen 10 pm és 20 mm közöttire választandó.

- A vegyületeknek és/vagy keverékeknek ez eljárás szempontjából ideális nedvszívó és megtartó képességűnek kell lenniük, hogy a megfelelő kezelési (technológiai) idő beállításával, roncsolásmentesen tudjuk a sejtfalakon keresztül a nedvességet eltávolítani az ozmózis nyomás segítségével.

- A vegyületeknek és/vagy keverékeknek a fából eltávozó és általuk felvett, majd leadott nedvesség után is csomómentesnek kell lenniük.

A találmány szerinti anyagkeverékkel végrehajtott kezelési eljárás során tehát a fa anyagdarabokat körülvesszük az anyagkeverékkel, így azzal oxigénszegény fizikai környezetet teremtünk. A kezelendő faanyagot az anyagkeverékkel előnyösen egy tálcában vesszük körbe, és ezt toljuk be egy kemence tűzterébe. A hőmérséklet fokozatos emelésével a fában lévő szabad nedvességet, valamint fa a sejtszerkezetében lévő kötött nedvességet sejtfalakon keresztül, azok roncsolását elkerülve eltávolítjuk. Ennek a folyamatnak a befejezése után, hőmérséklet további emelésével a cellafalakat lezárjuk, hogy a későbbi nedvességfelvételt megakadályozzuk.

A tálcába elhelyezett faanyagok közé előnyösen 2 - 3 mm vastagságú, jó hővezető képességekkel rendelkező (pl. alumínium) lemezt is tehetünk, a kezelendő anyag teljes hosszában. Ezzel elkerüljük a helyi túlmelegedéseket, és egyenletesebb hőeloszlást tudunk elérni. Ez a megoldás jelentősen javítja az energiafelhasználás hatékonyságát is.

A hőkezelés során a hőmérsékletet előnyösen 60 - 240 °C között változtatjuk, és a kezelést 6-48 óra közötti időtartamban végezzük. A folyamat lehet szakaszos vagy folyamatos üzemű is.

Tapasztalatom szerint a különböző ásványi vegyületek (sók) és azok keverékei a hőmérséklet függvényében egymástól eltérően hatnak a kezelés során a cellulóz alapú faanyagokra. Míg a túlnyomórészt NaCI-t tartalmazó anyagkeverékkel kezelt bükkfa aránylag jó minőségű lett, addig a fenyő már csak közepes értéken kezelődött. A tölgyfánál és akácfánál kifejezetten rosszak voltak az eredmények. A nátrium-acetát - szilikagél keveréknél alacsony (150 170 °C) hőmérsékleten a fenyő és tölgyfa kezelése mutatott jó eredményeket, míg a bükkfának az eredményei rosszabbak lettek. A bükkfánál akkor értem el jobb eredményt, amikor a fent leírt vegyületekhez 30 tömeg%-ban alumíniumoxidot adtam, emeltem a szilikagél arányát, és a hőmérsékletet.

-7Egyes anyagkeverék által kiváltott hatást módosíthatjuk oly módon, hogy a faanyagot lefedő anyagkeverék felületét, folyadékkal (vízzel) lepermetezzük. Ez az anyagkeverék felületén a benne lévő sókkal (pl. CaS04) a hő hatására vékony réteget képez, amely fokozza a fa elzárását a külső környezettől, és ezzel csökken a fa fajsúly-vesztése is.

Az alábbi 1. táblázat a találmány szerinti anyagkeverékben előnyösen alkalmazható példaképpen! anyagokat tartalmaz.

	Hővezető töltőanyag	Vízfelvevő/leadó anyag	Csomósodásgátló anyag
Vízben oldódó anyag	Higroszkópos anyag	Vízmegkötő anyag
Magnézium-szulfát		X	X	X
Nátrium-szulfát	X			X
Kalcium-szulfát	X			X
Nátrium-jodid		X	X	X
Nátrium-bromid		X	X	X
Nátrium-karbonát		X	X
Nátrium-acetát	X	X	X	X
Kálium-szulfát		X		X
Kálium-klorid		X
Magnézium-klorid		X	X
Kalcium-klorid	X	X	X
Oxid kerámiák	X				X
Alumínium-oxid	X				X
Klinkerásványok	X				X
Zeolitok				X	X
Magnézium-oxid			X		X
Talkum	X				X
Szilikagél			X	X	X

1. táblázat

Látható, hogy az 1. táblázat számos olyan anyagot is tartalmaz, amely a csomósodásgátló, a vízfelvevő/leadó és a hővezető töltőanyag tulajdonságok közül legalább kettővel rendelkezik. Ezen kettős tulajdonságú anyagok a találmány szerinti anyagkeverékben különösen előnyösen bevethetők.

-8Az 1. táblázatban szereplő anyagokból több találmány szerinti előnyös anyagkeveréket készítettem, amelyeknél a kősóval való kezeléshez mérten jobb hatásfokot, és környezetkímélőbb tulajdonságot tapasztaltam. Az előnyös anyagkeverékek kidolgozásánál célszerűen a következő alapvető vegyületek alkalmazhatók önmagukban vagy keverékként:

- Nátrium-acetát,

szilikagél, talkum, alumínium-oxid, kalcium-szulfát,

magnézium-szulfát, nátrium-karbonát, nátrium-szulfát.

- Haíogenid sók, kálium-klorid, kalcium-klorid, nátrium-bromid, nátrium-jodid.

1. példa Nátrium-acetát	20 - 80 tömeg%
Szilikagél Talkum	10-40 tömeg % 10-50 tömeg %
Nátrium-karbonát	5-20 tömeg %
2. példa Kalcium-szulfát	10-40 tömeg %
Nátrium-karbonát	10-40 tömeg %
Talkum	10-30 tömeg%
Szilikagél	20 - 40 tömeg %
3. példa Magnézium-szulfát Alumínium-oxid	30 - 50 tömeg % 10-50 tömeg %
Szilikagél	10-70 tömeg %
4. példa Nátrium-karbonát	10-40 tömeg %
Magnézium-szulfát Kalcium-szulfát	15-50 tömeg % 10-40 tömeg %
Talkum	5-25 tömeg%
Alumínium-oxid	5-25 tömeg%

-95. példa

Kálium-klorid	40 - 80 tömeg%
Alumínium-oxid	25 - 45 tömeg%
Magnézium-klorid	2-15 tömeg%
6. példa Nátrium-acetát	20 - 50 tömeg%
Szilikagél Alumínium-oxid	20 - 30 tömeg% 20 - 30 tömeg%
Kálium-klorid	5-20 tömeg%

Az alábbi példa szerinti anyagkeverék minden kitűzött találmányi cél szempontjából rendkívül előnyösnek bizonyult:

7. példa Alumínium-oxid Nátrium-acetát Szilikagél Kalcium-szulfát Nátrium-szulfát

10-20 tömeg% 25 - 30 tömeg% 20 - 30 tömeg%

5-10 tömeg%

- 30 tömeg%

Ez utóbbi példa szerinti anyagkeverék fajlagos tömege 686,25 kg/m³, ami lényegében a fele a NaCI 1.259,63 kg/m³ fajlagos tömegének, így kisebb költségű tartó- és mozgatószerkezetre, valamint kisebb hőbevitelre van szükség.

A fenti példákban szereplő vegyületekkel kapcsolatban meg kell jegyeznem, hogy ezek többsége nem mérgező, sőt jó pár élelmiszerben adalékként is szolgál. A környezeti hatásukat tekintve kis mennyiségben nem veszélyesek.

Az anyagkezelési célok megvalósításához optimális anyagkeveréket a faanyag fajtájától, a kezelés intenzitásától, a nedvességtől, és a kezelt fa leendő tulajdonságaitól függően kell megválasztani.

-10A találmány természetesen nem korlátozódik a fentiekben részletesen ismertetett előnyös kiviteli alakokra, hanem további anyagkeverékek, eljárások is lehetségesek az igénypontok által meghatározott oltalmi körben. Az anyagkeverékhez például a termikus modifikáció területén ismert módon alkalmazott adalékok, hőeloszlás-javító összetevők is adhatók.

Claims (10)

1. Anyagkeverék faanyag hőkezeléséhez, a hőkezelés során a faanyagnak az anyagkeverékkel való körülvételére, amely anyagkeverék szilárd halmazállapotú, azzal jellemezve, hogy az anyagkeverék - legalább 5 tömeg% csomósodásgátló anyagot,

- legalább 20 tömeg% vízfelvevő/leadó anyagot, valamint

- az anyagkeverék kívánt térfogatának eléréséhez és az anyagkeverék hővezetésének biztosításához szükséges mennyiségű, de legalább 5 tömeg% hővezető töltőanyagot tartalmaz, és

- az anyagkeverék NaCI tartalma legfeljebb 10 tömeg%.

2. Az 1. igénypont szerinti anyagkeverék, azzal jellemezve, hogy olyan anyagot is tartalmaz, amely a csomósodásgátló, a vízfelvevő/leadó és a hővezető töltőanyag tulajdonságok közül legalább kettővel rendelkezik.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti anyagkeverék, azzal jellemezve, hogy a vízfelvevő/leadó anyag vízben oldódó, higroszkópos és/vagy vízmegkötő anyag.

4. A 3. igénypont szerinti anyagkeverék, azzal jellemezve, hogy a vízfelvevő/leadó anyag a következő csoportból van kiválasztva, illetve a csoport egy vagy több tagjának keveréke képezi: magnézium-szulfát, nátrium-szulfát, kalcium-szulfát, nátrium-jodid, nátrium-bromid, nátrium-karbonát, nátriumacetát, kálium-szulfát, kálium-klorid, magnézium-klorid, kalcium-klorid, zeolitok, magnézium-oxid, szilikagél.

5. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti anyagkeverék, azzal jellemezve, hogy a csomósodásgátló anyag a következő csoportból van kiválasztva, illetve a csoport egy vagy több tagjának keveréke képezi: oxid kerámiák, alumíniumoxid, klinkerásványok, zeolitok, magnézium-oxid, talkum, szilikagél.

6. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti anyagkeverék, azzal jellemezve, hogy a hővezető töltőanyag a következő csoportból van kiválasztva, illetve a csoport

-12egy vagy több tagjának keveréke képezi: nátrium-szulfát, kalcium-szulfát, nátrium-acetát, kalcium-klorid, oxid kerámiák, alumínium-oxid, klinkerásványok, talkum.

7. A 2. igénypont szerinti anyagkeverék, azzal jellemezve, hogy

- hővezető töltőanyagként és csomósodásgátló anyagként 10-20 tömeg% alumínium-oxidot,

- hővezető töltőanyagként és vízfelvevő/leadó anyagként 25 - 30 tömeg% nátrium-acetátot,

- vízfelvevő/leadó anyagként és csomósodásgátló anyagként 20 - 30 tömeg% szilikagélt,

- vízfelvevő/leadó anyagként 5-10 tömeg % kalcium-szulfátot, valamint

- hővezető töltőanyagként és vízfelvevő/leadó anyagként 20 - 30 tömeg% nátrium-szulfátot tartalmaz.

8. Eljárás faanyag kezelésére, amelynek során a faanyagot anyagkeverékkel lefedjük és a lefedett faanyagot hőkezeljük, azzal jellemezve, hogy az eljárás során az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti anyagkeveréket alkalmazzuk.

9. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a faanyagnak az anyagkeverékkel való lefedése után az anyagkeverék felületét folyadékkal, előnyösen vízzel, lepermetezzük.

10. A 8. vagy 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a hőkezelést 60 - 240 °C-on, 6-48 óra időtartamban végezzük.