Uticaj visokotemperaturnog tretmana na dimenzionalnu stabilnost drveta

Prirodna trajnost većine evropskih vrsta drveta je vremenski ograničena, pa se u uslovima spoljašnje sredine bez adekvatne zaštite ne može koristiti. Zbog izražne higroskopnosti, dimenzionalne nestabilnosti, kao i relativno male otpornosti na dejstvo insekata i gljiva, drvo ima smanjenu mogućnost upotrebe u uslovima promenljive klime, tako da se retko primenjuje za izradu proizvoda namenjenih spoljašnjoj upotrebi. U cilju smanjivanja ovih negativnih strana, drvo se često tretira različitim tretmanima (hemijski, toploti i termičko-hemijski). Hemijski tretmani najčešće obuhvataju nanošenje različitih hemijskih sredstava na drvene proizvode koji u manjoj ili većoj meri imaju posledice po zdravlje čoveka i životnu sredinu. Danas se uglavnom, pored navedenih hemijskih, primenjuju termički tretmani (izlaganje drveta visokim temperaturama) koji su delotvorni u pogledu zaštite drveta i smanjenja higroskopnosti.
Veličina dimenzionalnih promena proporcionalna je broju adsorbovanih molekula vode u ćelijski zid drveta, što je u vezi sa brojem pristupačnih –OH grupa u celulozi i hemicelulozama. Ove hidrofilne grupe potencijalna su mesta za ostvarivanje vodoničnih veza sa adsorbovanim molekulima vode. Pod dejstvom visoke temperature u kontrolisanim uslovima, sastojci i sama struktura drveta menjaju svojstva. Najpre dolazi do razgradnje hemiceluloza negde između 200-260˚C, a u kasnijim fazama i celuloze. Razlaganjem hemiceluloza opada i sposobnost apsorpcije hidroksilnih grupa vode tako da je dimenzionalna stabilnost povećana u odnosu na normalno drvo. U toku ovog tretmana dolazi do formiranja organskih kiselina (uglavnom sirćetna) usled rezultata razgradnje acetilnih grupa i to acetilnih grupa celuloze. U zavisnosti od koncentracije kiselina i primenjene temperature, doći će do hidrolize hemiceluloza, kao najreaktivnije komponente i pri tome će nastati furfural i hidroksimetilfurfural.
Procesom visokotemperaturnog tretmana bavili su se mnogi istraživači, među prvima je bio Tiemann (1915), a potom Stamm i Hansen (1937). Tokom šezdesetih godina prošlog veka, ovu vrstu istraživanja nastavili su Kollman i Schneider (1963). Pomenuti autori bavili su se svojstvima drveta koje je tretirano visokotemperaturnim tretmanom na relativno niskim temperaturama, obično do 150°C.
Tokom termičkog tretmana drvetu se smanjuje tačka zasićenja vlakana (u proseku do 15%) i poboljšava dimenzionalna stabilnost i do 60% (Živković et al, 2008). Termički modifikovano drvo uglavnom ima manji procenat utezanja i bubrenja.
Princip rada svih ovih procesa je izlaganje rezane građe visokim temperaturama u intervalu od 160°C pa do 260°C. Temperature ispod 140°C ne utiču bitno na povećanje otpornosti na uticaje spoljašnje sredine, dok temperature iznad 300°C dovode do neprihvatljive degradacije materijala.
Termodrvo, kao što je već naglašeno, predstavlja proizvod koji se dobija intenzivnim tretmanom drveta na visokim temperaturama. Ovim termičkim tretmanom dolazi do promene većeg broja njegovih hemijskih i fizičkih svojstva. Promene su uzrokovane degradacijom hemiceluloze i te promene počinju već na temperaturi od 150°C i one se nastavljaju sa povišenjem temperature. Na kraju se dobija krajnji rezultat termički modifikovanog drveta koje je stabilnije nego normalno drvo u promenljivim klimatskim i spoljašnjim uslovima. Promene svojstava drveta, koje se dešavaju u toku termičkog tretmana, su posledica promena u hemijskoj građi drveta. Hemijske promene zavise od vremena izlaganja određenoj temperaturi, pri čemu je visina temperature uticajni faktor.
DIMENZIONALNA STABILNOST
Drvo kao higroskopan porozan materijal teži da uspostavi ravnotežu između parcijalnog pritiska vodene pare drveta i parcijalnog pritiska vodene pare u sredini u kojoj se drvo nalazi. Voda u drvetu nalazi se u dva oblika: kao higroskopna ili vezana i kao slobodna voda. Higroskopna voda locirana je u ćelijskim zidovima drveta i njen maksimalan sadržaj određen je tačkom zasićenja vlakana. Tačka zasićenja vlakana predstavlja vlažnost drveta pri kojoj su ćelijski zidovi zasićeni vodom i ne mogu dalje da povećavaju sadržaj vlage. Procenjena vrednost tačke zasićenja vlakana nalazi se između 21% i 32% vlažnosti drveta, međutim usvojen je sadržaj vlage od 30% kao prosečna vrednost (Šoškić et al, 2002). Iznad tačke zasićenosti vlakana voda se nalazi kao slobodna u lumenima ćelija i u makrokapilarima. Pri porastu sadržaja vlage u oblasti higroskopne vlažnosti dolazi do razmicanja gradivnih molekula ćelijskog zida (mikrofibrila) usled umetanja molekula vode između njih, odnosno promene dimenzija ćelijskog zida, što se na makronivou manifestuje kao bubrenje drveta. Ukoliko se sadržaj vlage u ćelijskom zidu smanjuje dešava se suprotan proces – utezanje drveta.
Poznato je da sa promenom vezane vode u zidovima ćelija drveta dolazi do dimenzionalnih promena istog. Ova pojava donosi ograničavanje korišćenja drveta naročito u spoljašnjem prostoru. Tretiranjem drveta visokim temperaturama dolazi do promene strukture drveta. Kako bi se razumela ova promena, najbolje je sagledati do kojih hemijskih promena dolazi unutar strukture drveta.Tokom visokotemperaturnog tretmana dolazi do degradacije polimera unutar ćelijskog zida, prvo hemiceluloza, a kasnije i celuloze. U toku ovog termičkog tretmana dolazi do formiranja organskih kiselina (uglavnom sirćetna) usled rezultata razgradnje acetilnih grupa i to acetilnih grupa celuloza. U zavisnosti od koncentracije kiselina i pimenjene temperature, doći će do hidrolize hemiceluloza, kao najreaktivnije komponente i pri tome će nastati furfural i hidroksimetilfurfural (Hill, 2006).
Živković i saradnici (2008) upoređivali su higroskopnost i ravnotežnu vlažnost pri sobnim uslovima, termički tretiranog i netretiranog drveta. Na temperaturama od 190˚C i 210˚C izlagali su drvo bukve i jasena u vremenskom periodu od 2, 4 i 7 dana. Analiziranjem rezultata istraživanja može se doći do zaključka da termički tretman pri 190˚C daje rezultat povećanja dimenzionalne stabilnosti za 27% kod bukve, dok kod jasena dolazi do povećanja za 35%. Pri  temperaturi od 210˚C rezulatati daju dosta bolju dimenzionalnu stabilnost kod bukve 54%, a kod jasena 62%.
Kocaefe et al. (2008) dokazali su da tokom termičkog tretmana dolazi do  smanjivanja hidrofilnosti drveta, upoređujući ugao kvašenja tretiranog i netretiranog drveta belog jasena (Fraxinus americana) i mekog javora (Acer rubrum). Rezultati istraživanja pokazali su da primenom visokotemperaturnog tretmana ugao kvašenja raste tj. površina drveta postaje hidrofobnija.
Popović i saradnici (2005) istraživanjem su utvrdili da dolazi do smanjenja utezanja i bubrenja za 50% do 90%. Kao posledica smanjenja broja hidroksilnih grupa utezanje i bubrenje drveta je manje (dijagram).

Bukva spada u vrste drveta sa velikim dimenzionalnim promenama. Poznato je da je tangencijalno utezanje do dva puta više od radijalnog. Istraživanjima koja su sproveli Popović i saradnici (2010) na uzorcima bukovog drveta tretiranim na 190°C i 210°C tokom 8 h, došli su do zaključka da termički tretman značajno doprinosi smanjenju bubrenja pri čemu je procenat smanjenja radijalnog manji u odnosu na tangencijalno bubrenje. Ovaj slučaj je izraženiji kod beljike bukovog drveta.
ZAKLJUČAK
Uticajem visokotemperaturnog tretmana zaključeno je da dolazi do promene fizičkih i mehaničkih svojstva. Razlog tome jeste degradacija ćelijskog zida i smanjenje broja hidroksilnih grupa hemiceluloze, čime se smanjuje dimenzionalna stabilnost drveta. Sa smanjenjem broja hidroksilnih grupa ćelijski zidovi apsorbuju manje vode, što znači da visokotemperaturni tretman usporava primanje vode. Ovim tretmanom moguće je smanjiti bubrenje i utezanja od 50% kod nekih vrsta. Upotreba ove nove tehnologije omogućila je da se termički tretirano drvo koristi ne samo za opremanje enterijera već i za spoljnu upotrebu, u vidu fasadnih obloga. Termodrvo je popularna podna obloga za dvorišta, tremove i staze oko bazena (decking).

LITERATURA

1. Esteves, B., Domingos, I., Pereira, H. (2008): Pine wood modification by heat treatment in air. BioResources 3(1) (142-154)
2. Hill, C.A.S. (2006): Wood modification: chemical, thermal and other processes, School of agricultural and forest sciences. Univesrsity of Vales, Bangor(104-109)
3. Kocaefe, D., Poncsak, S., Boluk, Y. (2009): Effect of thermal treatment on the chemical composition and mechnical properties of birch and aspen. BioResources 3(2), (517-537)
4. Popović, Z., Šoškić, B., Todorović, N. (2005): TermoDrvo – novi materijal dobijen visokotemperaturnim tretmanom drveta. Prerada drveta 9-10, Univerzitet u Beogradu – Šumarski fakultet Beograd (31-37)
5. Popović, Z., Todorović, N., Popadić, R., Nešovanović, B. (2010): Uticaj visokotemperaturnog
6. tretmanana neka svojstva bukovog drveta iz beljike i lažne srčevine. Prerada drveta 29, Univerzitet u Beogradu – Šumarski fakultet,Beograd (5-14)
7. Šoškić, B., Popović, Z. (2002): Svojstva drveta, Univerzitet u Beogradu - Šumarski fakultet, Beograd (79-91)
8. Živković, V., Prša, I., Turkilin, H., Sinković, T., Jirous, V. (2008): Dimensional stability of heat treated wood floorings. Drvna industrija 59 (2), Šumarski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, Zagreb (69-73)