Wiązanie preparatów impregnacyjnych z drewnem i jego głównymi składnikami

Wiązanie preparatów impregnacyjnych z drewnem i jego głównymi składnikami

Książka “Wiązanie preparatów impregnacyjnych z drewnem i jego głównymi składnikami” wydana została w serii Rozprawy naukowe.
Obecnie spośród licznych środków chemicznej ochrony drewna wycofuje się z użycia niektóre preparaty – pomimo że są skuteczne i stosowane od dziesięcioleci – ze względu na zagrożenie zanieczyszczeniem środowiska naturalnego oraz właściwości toksyczne, niebezpieczne dla ludzi. Mimo intensywnego rozwoju przemysłu drzewnego w świecie, coraz bardziej jest ograniczana szeroko pojęta chemiczna ochrona drewna z wykorzystaniem substancji biologicznie czynnych, co w konsekwencji preferuje rozwój nowych technologii z uwzględnieniem ochrony środowiska naturalnego. W ciągu ostatnich lat w dziedzinie ochrony drewna obserwuje się gwałtowny wzrost osiągnięć w chemicznej jego modyfikacji, postrzeganej jako przyjazna dla środowiska forma zwiększania trwałości. Natomiast klasyczną impregnację drewna środkami chemicznymi zastąpiła impregnacja abiocydowa.
W opracowywaniu nowych chemicznych środków ochrony drewna, oprócz wymagań toksykologicznych (mających na celu obniżenie szkodliwości zastosowanych substancji dla ludzi i zwierząt) oraz ekotoksykologicznych (zmierzających do zmniejszenia szkodliwego działania środków na środowisko), należy uwzględnić wymóg ich dużej trwałości oraz skuteczności działania z jednoczesnym zachowaniem parametrów technicznych, zapewniających penetrację tych związków w głąb drewna. Zasadne wydaje się także zwrócenie uwagi na aspekt ekonomiczny, czyli opracowanie technologii gwarantujących możliwie niski koszt ich produkcji. Biorąc pod uwagę wymienione wymagania, w niniejszej rozprawie podjęto próbę oceny efektywności związania nowych, nietoksycznych preparatów impregnacyjnych z układem lignocelulozowym drewna. Znajomość mechanizmów reakcji celulozy czy ligniny z takimi właśnie środkami jest niezbędna w zrozumieniu zmian zachodzących podczas procesów chemicznego przerobu drewna, uszlachetniania jego powierzchni oraz impregnowania środkami zwiększającymi jego trwałość, a zarazem ognioodporność.
Klasyczną impregnację drewna środkami chemicznymi zastępuje się impregnacją abiocydową. Jej ideą jest wykorzystanie związków chemicznych o małej toksyczności, co niezmiernie ważne, często będących tanim produktem ubocznym przerobu materii organicznej bądź nieorganicznej. W wielu doniesieniach naukowych wskazuje się na duże możliwości wykorzystania związków syntetycznych niebędących typowymi biocydami, do których można zaliczyć między innymi związki krzemoorganiczne. Substancje tego typu zwiększają odporność biologiczną drewna poprzez poprawę niektórych jego właściwości fizykochemicznych takich, jak hydrofobizacja powierzchni, zmniejszenie higroskopijności czy zwiększenie stabilności wymiarowej.
Nowe możliwości w ochronie drewna mogą się pojawić dzięki kompozycjom z udziałem kwasów organicznych jako substancji aktywnych. Wykorzystując w impregnacji drewna kwasy karboksylowe, można związać je trwale w jego strukturze nie tylko na skutek zachodzących zjawisk fizycznych, ale głównie reakcji chemicznych. Biorąc pod uwagę struktury kwasów karboksylowych oraz polarność ich cząsteczek, należy oczekiwać, że mogą one tworzyć pomiędzy sobą lub z cząsteczkami innych związków wiązania wodorowe. Ich właściwości kwasowe, wynikające z elektronowej budowy grupy karboksylowej, ułatwiają oderwanie jonu wodorowego na skutek polaryzacji wiązania podwójnego C=O i osłabienia wiązania O-H. Obecność grup kwasowych w roztworach impregnacyjnych nadaje badanym układom specyficzny charakter. Podlegają one typowym dla kwasów organicznych reakcjom, stwarzającym możliwość otrzymywania różnego typu pochodnych. Aktywne grupy wodorotlenowe obecne w celulozie i ligninie łatwo ulegają połączeniu z grupami karboksylowymi. Daje to możliwość skutecznego „utrwalenia” substancji biologicznie czynnej w drewnie, przedłużając w ten sposób jego odporność na korozję biologiczną w warunkach użytkowania na otwartej przestrzeni.
Wykorzystanie w charakterze środków abiocydowych naturalnych związków organicznych oraz prostych zabiegów fizykochemicznych w impregnacji drewna ma na celu nie tylko ochronę drewna przed czynnikami biotycznymi, ale również ochronę środowiska. Wprowadzenie do drewna nowych, nietoksycznych środków impregnacyjnych na bazie olejów roślinnych, związków taninowych oraz białek zwierzęcych umożliwia: stworzenie skutecznej ochrony przed czynnikami biotycznymi, zwiększenie stabilności wymiarowej drewna w czasie użytkowania przez hydrofobizację jego powierzchni, a przede wszystkim obniżenie stopnia wymycia środka impregnacyjnego z drewna, dzięki utrwaleniu składnika biologicznie czynnego na drodze koagulacji, autokondensacji, polimeryzacji lub innych reakcji chemicznych.
Kolejną grupę związków „przyjaznych dla środowiska” tworzą organosilany, substancje o istotnym potencjale zastosowania w ochronie drewna. Zasada ich działania opiera się na impregnacji ścian komórkowych drewna monomerami, które następnie polimeryzują in situ. Organosilany charakteryzują się bardzo dużą hydrofobowością wynikającą z obecności nietoksycznych grup organicznych (głównie metylowych). Hydrofobizację drewna można osiągnąć dzięki osadzaniu się polimeryzującego organosilanu na powierzchni drewna. Podczas procesu monomery silanowe ulegają selektywnemu rozpadowi, a następnie rekombinacji do formy warstw makromolekularnych, opartych na wiązaniach Si-O-Si oraz Si-O-C. W wyniku reakcji wiązania zachodzących między cząsteczką silanu a drewnem otrzymujemy produkt o znacznie zmniejszonej hydrofilności, co oznacza również ograniczenie wielu niepożądanych cech drewna. Wiele właściwości drewna takich, jak stabilność wymiarowa, hydrofobowość, odporność na czynniki atmosferyczne, ognioodporność oraz wytrzymałość mechaniczna ulega poprawie dzięki zastosowaniu związków krzemoorganicznych. Ponadto, zastosowanie koagulacyjnych procesów zwanych zolowo-żelowymi umożliwia wykorzystanie wody związanej zawartej w drewnie i pokrywanie ściany komórkowej drewna polimerem krzemoorganicznym, co powoduje odkładanie się cienkiego filmu koloidalnego na powierzchni drewna.
Nowe możliwości w ochronie drewna pojawiły się również dzięki kompozycjom z udziałem czwartorzędowych związków amoniowych (ang. quatemary ammonium compounds), często łączonymi z innymi biologicznie czynnymi związkami, jak bor, miedź lub triazole. Są to preparaty nowej generacji, o szerokim spektrum działania i niezaprzeczalnych walorach proekologicznych. Środki ochrony drewna oparte na czwartorzędowych związkach amoniowych – oprócz dużej skuteczności przeciwko grzybom niszczącym drewno – wykazują możliwość utrwalania się w tkance drzewnej na zasadzie wymiany jonowej.
Przedmiotem pracy jest ocena nowych preparatów impregnacyjnych wiążących się materiałem lignocelulozowym wraz z omówieniem reakcji tych preparatów i wyjaśnieniem mechanizmów ich oddziaływania z rozdrobnionym drewnem sosny zwyczajnej w postaci pyłu, celulozą i ligniną. Podstawowym celem pracy jest zbadanie efektywności wiązania białkowych roztworów kwasu borowego oraz czwartorzędowej soli amoniowej w postaci chlorku benzalkoniowego, również w połączeniu monoetanoloaminy z celulozą, ligniną oraz pyłem drzewnym sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.).
Drewno sosny zostało wytypowane i zastosowane w badaniach ze względu na skalę wykorzystania surowca wynikającą bezpośrednio z powszechnego występowania tego gatunku drewna w kraju. W pracy została oceniona skuteczność wiązania preparatów ochrony drewna z jego komponentami strukturalnymi, poprzez proteiny pochodzenia zwierzęcego, celem ograniczania wymycia substancji aktywnych przy kontakcie z wodą drewna impregnowanego, wraz z aplikacyjnym elementem potencjalnego wykorzystania tej wiedzy w technologii skutecznych mieszanin do impregnacji drewna. Wykorzystywane w pracy proteiny są wodnymi roztworami suszonego rozpyłowo białka zwierzęcego (plazma krwi zwierzęcej), występującymi pod nazwami handlowymi: Soluteina oraz preparat białkowy AP 820. Zastosowano również albuminę jaja kurzego oraz porównawczo białko sojowe. Ponadto celem pracy było zbadanie mechanizmu denaturacji białek metodą termiczną oraz chemiczną (z wykorzystaniem kwasu taninowego), określając przy tym zdolność tego ostatniego do utrwalania wraz z wiązaniem składnika aktywnego w pyle drzewnym, celulozie i ligninie.
Zakres pracy obejmował również badania nad efektywnością wiązania koloidalnych roztworów organosilanów, kolejną interesującą – ze względu na stawiane i nieustannie podnoszone wymagania ochrony środowiska – grupą preparatów do impregnacji drewna z celulozą i pyłem drzewnym sosny.