Γέφυρα στην Ολλανδία κατασκευασμένη εξ ολοκλήρου από ακετυλιωμένη ξυλεία πεύκου από το είδος Pinus radiata
Ηακετυλιωμένη ξυλεία (γνωστή και ως Accoya)[1][2] είναι προϊόν ξύλου - που είναι οικολογικό καιδεν περιέχει τοξικές ουσίες - το οποίο έχει υποστεί ειδική χημική επεξεργασία μεοξικό ανυδρίτηκαι διαδικασία χημικής τροποποίησης προκειμένου ναμην υφίσταται βιολογικές προσβολές από μύκητες και ξυλοφάγα έντομα καινα έχει υψηλή ανθεκτικότητα στο χρόνο (μεγάλη διάρκεια ζωής) και αντοχή στην υγρασία και στις εξωτερικές συνθήκες του περιβάλλοντος.[3][4] Αποτελεί ένα προϊόν έρευνας στον τομέα τωνεπιστημών ξύλου.
Δοκίμιο από ακετυλιωμένο ξύλο (Accoya). Η ξυλεία αυτή μακροσκοπικά ομοιάζει μετη λεύκη.
Χημική τροποποίηση προκύπτει με αντίδραση των συστατικών του ξύλου (βλ. ελεύθερα υδροξύλια ιδίως της λιγνίνης καιτων ημικυτταρινών) χωρίς καταλύτη και δημιουργία δεσμών μεταξύ τους. Οι ουσίες, π.χ. ανυδρίτες, τροποποιούν τα δομικά συστατικά του ξύλου χωρίς να αφήνουν τοξικά υπολείμματα. Πολλά, σχεδόν 80-90% από τα υδροξύλια (-ΟΗ) αποκλείονται έτσι από τη δημιουργία δεσμών υδρογόνουμε μόρια νερού καιτα κυτταρικά τοιχώματα «κλειδώνουν» από υλικό. Τα χημικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται είναι μη τοξικά καιη τυχόν ανακύκλωση και απόρριψη του ακετυλιωμένου ξύλου είναι εφικτή, χωρίς κανένα περιορισμό.[5]
Η ξυλεία Accoya είναι πολύ ανοιχτού χρώματος και έχει υψηλή φυσική διάρκεια και έντονη υδροφοβία, όπως έχουν δείξει διάφορες έρευνες.[6][7][8]Ηεν λόγω ξυλεία είναι κατάλληλη για εξωτερικές ξύλινες κατασκευές[9]και εξωτερικά δάπεδα και decks. Ξυλεία πεύκης (Radiata pine) κυρίως, αλλά και οξιάς, συνήθως αξιοποιούνται με αυτή την τεχνολογία. Η ακετυλιωμένη ξυλεία απορροφά ελάχιστη υγρασία, γεγονός που βελτιώνει πολύ σημαντικά τη σταθερότητα των διαστάσεων καιτην φυσική ανθεκτικότητά της.[5]
Η αρχική ιδέα για αυτή την τεχνολογία της ακετυλίωσης του ξύλου βασίζεται σε έρευνες στις ΗΠΑ (Forest Products Laboratory) από τους ερευνητές Alfred J. StammκαιHarold Tarkow κατά τη δεκαετία του 1940.[10]
Η πρώτη ύλη γιατο ακετυλιωμένο ξύλο είναι υλικό που περιέχει λιγνοκυτταρίνη. Δεδομένου ότι η ακετυλίωση του ξύλου στοχεύει στην παραγωγή ανθεκτικού ξύλου για εξωτερική χρήση, συνήθως χρησιμοποιείται ξυλεία. Η ακετυλίωση πραγματοποιείται συνήθως με οξικό ανυδρίτη σε ειδικούς αντιδραστήρες από ανοξείδωτο χάλυβα. Δεδομένου ότι το οξικό οξύ διασπάται όταν το νερό που περιέχεται στο ξύλο έρχεται σε επαφή μετον προστιθέμενο οξικό ανυδρίτη, η περιεκτικότητα σε υγρασία της πρώτης ύλης επηρεάζει ιδιαίτερα την κατανάλωση οξικού ανυδρίτη. Κατά συνέπεια, είναι πλεονέκτημα να χρησιμοποιείται πρώτη ύλη που είναι όσο το δυνατόν ξηρότερη (2-4%). Βασικά, κάθε είδος ξύλου μπορεί να ακετυλιωθεί. Ωστόσο, δεδομένου ότι κάθε τύπος ξύλου συμπεριφέρεται ελαφρώς διαφορετικά κατά την ακετυλίωση, η ακετυλίωση πρέπει να προσαρμοστεί στον αντίστοιχο τύπο ξύλου προκειμένου να επιτευχθούν οι επιθυμητές ιδιότητες του προϊόντος.
Το ξύλο δρυός θεωρείται βαρύ, ενώ της ελάτης θεωρείται ως μη διαπερατό λόγω μικροδομής. Έτσι, είδη όπως κλήθρα, λεύκα και σημύδα είναι είδη ξύλου που εμποτίζονται πολύ εύκολα.[5]
Διάγραμμα που δείχνει τη δέσμευση (μπλοκάρισμα) των ελεύθερων υδροξυλίων, μετά την αντίδραση ακετυλίωσης Σχεδιάγραμμα της ακετυλίωσης της κυτταρίνης: Οικόκκινες υδροξυλικές ομάδες (-ΟΗ) της κυτταρίνης (βλ. παραπάνω) ακετυλιώνονται μερικώς από τον οξικό ανυδρίτη με αποτέλεσμα να σχηματιστούν εστερικές ομάδες, ενώ το παραχθέν οξικό οξύ διασπάται. Ο βαθμός ακετυλίωσης ποικίλλει· π.χ., δύο από τις τρεις ομάδες υδροξυλίου ακετυλιώνονται για κάθε δομικό μόριο γλυκόζης.
Η διαδικασία ξεκινά με τροφοδοσία των χημικών αντιδραστηρίων σε πρώτη ύλη ξύλου, καιτην έγχυση του διαλύματος οξικού ανυδρίτη. Το διάλυμα μπορεί να εισαχθεί υπό κενό, σε περίσσεια πίεση ή σε ατμοσφαιρική πίεση.
Γιανα κορεστεί το ξύλο μετο διάλυμα στο βαθύτερο δυνατό επίπεδο, εμποτίζεται υπό πιέσεις 2 έως 5 bar ή υπό κενό. Το διάλυμα οξικού ανυδρίτη πρέπει να είναι ήδη ζεστό (70-150 °C) καιθα θερμανθεί μαζί μετο ξύλο κατά τον εμποτισμό. Πρέπει να επιτευχθούν θερμοκρασίες γύρω στους 120 °C ώστε να γίνει η πραγματική αντίδραση ακετυλίωσης μεταξύ του ξύλος καιτου αντιδραστηρίου. Δεν χρησιμοποιείται καταλύτης ή άλλο πρόσθετο χημικό.
Οιυδροξυλικές ομάδες (-ΟΗ) στα κυτταρικά τοιχώματα του ξύλου εστεροποιούνται σε εστέρες οξικού οξέος και απελευθερώνεται οξικό οξύ ως ένα παραπροϊόν της όλης αντίδρασης. Το οξικό οξύ ''πλημμυρίζει'' το ξύλο. Η εστεροποίηση συμβαίνει κυρίως στις υδροξυλικές ομάδες των πολυμερών, ιδίως της λιγνίνηςκαι μέγιστα τωνημικυτταρινών.
Η περίσσεια του διαλύματος οξικού ανυδρίτη πουδεν έχει απορροφηθεί από το ξύλο μπορεί να αφαιρεθεί είτε πριν από την αντίδραση ακετυλίωσης είτε το αργότερο μετά. Γιανα εξαχθεί ο οξικός ανυδρίτης που έχει απορροφηθεί από το ξύλο αλλά δεν έχει αντιδράσει, καθώς καιτο προκύπτον οξικό οξύ από το ξύλο, δημιουργείται ένα τελικό κενό. Είναι ένα στάδιο που είναι και χρονοβόρο αλλά και αρκετά δαπανηρό.
Τέλος, το ξύλο καθαρίζεται με απόσταξη με νερό ή ατμό ώστε να είναι ουσιαστικά απαλλαγμένο από οξικό ανυδρίτη και οξικό οξύ. Αυτό χρησιμεύει κυρίως γιατην αποφυγή της επακόλουθης εξάτμισης οσμών του οξικού οξέος από το τελικό προϊόν στο περιβάλλον, η οποία είναι εντελώς ανεπιθύμητη κατά την τελική χρήση. Το διάλυμα που προκύπτει από την αφυδάτωση, την εκχύλιση υπό κενό καιτη μετεπεξεργασία συλλέγεται και διαχωρίζεται. Ο οξικός ανυδρίτης μπορεί να ανακτηθεί από το οξικό οξύ που περιέχεται σε αυτό καινα ανατροφοδοτηθεί στην όλη διαδικασία.[5]Η όλη διαδικασία παραγωγής είναι πολύωρη.
Γιανα επιτευχθεί επιτυχές αποτέλεσμα, πρέπει με διάφορες μέθοδους να γίνει εκτίμηση του βαθμού ακετυλίωσης που επιτυγχάνεται. Απαιτείται τουλάχιστον 20% βαθμός ακετυλίωσης για ξύλο υψηλής αντοχής.
Επειδή η ενσωμάτωση ομάδων ακετυλίου, παρόμοιων μετα μόρια του νερού, προκαλεί διόγκωση του ξύλου, η αύξηση του όγκου μπορεί να χρησιμεύσει ως μια παράμετρος γιατο βαθμό ακετυλίωσης. Από την άλλη πλευρά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το % αύξησης του βάρους, ονόματι WPG (ποσοστό αύξησης της μάζας), μετά την ακετυλίωση. Αυτό επιτρέπει επίσης να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά μετην ποσότητα του οξικού ανυδρίτη πουεν τέλει κατέστη χημικά δεσμευμένος μετο ξύλο στα κυτταρικά τοιχώματα.
Περαιτέρω παράμετροι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν γιατην αξιολόγηση του βαθμού ακετυλίωσης είναι η αντίσταση στην έκπλυση με νερό, η ηλεκτρική αγωγιμότητα ή μέθοδοι όπως π.χ. ανάλυση HPLC ή φασματοφωτομετρία.[5]
Η ακετυλίωση αλλάζει μόνιμα τη χημική σύνθεση του ξύλου. Η χημική τροποποίηση επηρεάζει θετικά διάφορες μηχανικές και φυσικές ιδιότητες, καθώς καιτην ανθεκτικότητα του ξύλου έναντι εντόμων και μικροοργανισμών που καταστρέφουν το ξύλο.
Ανάλογα μετο είδος του ξύλου καιτο βαθμό τροποποίησης, η ακετυλίωση συνήθως οδηγεί σε αποχρωματισμό του ξύλου καισε αύξηση της πυκνότητας και της σκληρότητάς του.[11] Ανάλογα μετην ποσότητα της μετεπεξεργασίας, το τελικό προϊόν ξύλου μπορεί να μυρίζει περισσότερο ή λιγότερο έντονα, οξικό οξύ.[5] Αυτό διαπιτώνεται εύκολα κατά την κοπή του.
Κατά την αντίδραση της ακετυλίωσης, οι υδρόφιλες υδροξυλικές ομάδεςτων πολυμερών του κυτταρικού τοιχώματος του ξύλου αντιδρούν χημικά γιανα σχηματίσουν πολύ υδρόφοβες ακετοξυ-ομάδες. Έτσι, η υδροφοβικότητα του ξύλου, περιορίζει σημαντικά την ικανότητα προσρόφησης ή απελευθέρωσης νερού. Αυτό σημαίνει ότι το ακετυλιωμένο ξύλο έχει πολύ χαμηλότερη υγρασία ισορροπίας σε σχέση μετο φυσικό, μη ακετυλιωμένο ξύλο.
Η μέγιστη περιεκτικότητα σε υγρασία ξύλου ισορροπίας του κανονικού ξύλου μπορεί να είναι περίπου 25-30 % (σημ. αυτό το σημείο ονομάζεται σημείο ινοκόρουτου ξύλου), ενώ το ξύλο που έχει υποστεί ένα χειρισμό ακετυλίωσης (με WPG 20%) έχει πλέον τελική υγρασία ισορροπίας μόνον 10-12 %.
Βέβαια καιο ρυθμός προσρόφησης του νερού μειώνεται πάρα πολύ.[5]
Η αντικατάσταση των υδρόφιλων υδροξυλικών ομάδωντων πολυμερών του κυτταρικού τοιχώματος, βλ. κυτταρίνη, λιγνίνη, ημικυτταρίνες, με υδρόφοβες ακετυλομάδες έχει επίσης θετική επίδραση στην αντοχή του, δηλαδή στη σταθερότητα των διαστάσεων του ξύλου σε μεταβαλλόμενα κλιματικά περιβάλλοντα.
Το ακετυλιωμένο ξύλο παρουσιάζει διαφορά περίπου 70 έως 80%, πιο υψηλής διαστασιακής σταθερότητας, σε σύγκριση μετομη επεξεργασμένο, φυσικό ξύλο. Συνεπώς έχει και πολύ μειωμένη διόγκωση και ρίκνωση.[5]
Η ακετυλίωση αυξάνει τη φυσική αντοχή του ξύλου. Η αντοχή τουστην αποικοδόμησή του από μύκητες, έντομα κ.λπ. βελτιώνεται πολύ σημαντικά.
Μείωση της μέγιστης υγρασίας ισορροπίας στο επίπεδο 10-20 % σε ακετυλιωμένο ξύλο αποτρέπει την ελάχιστη υγρασία του ξύλου που απαιτείται γιατην ανάπτυξη μυκήτων. Επιπλέον, οι μοριακές δομές του κυτταρικού τοιχώματος, οι οποίες διασπώνται εύκολα από μύκητες, αλλάζουν μετην ακετυλίωση με τέτοιο τρόπο, ώστε οι μυκητιακές υφές ναμην μπορούν πλέον να διεισδύσουν μέσα από το μικροπορώδες κυτταρικού τοιχώματος καινατο διασπάσουν.
Διάφορα είδη ξύλου μπορούν να προστατευθούν πλήρως από την καστανή, τη λευκή ή την μαλακή σήψη μέσω ακετυλίωσης καινα αναβαθμιστούν στην κλάση ανθεκτικότητας 1, που είναι η υψηλότερη δυνατή (όπως τα εξόχως ανθεκτικά τροπικά είδη, teak, merbau, azobe, iroko). Η αντίσταση του ξύλου στην αποικοδόμηση από βακτήρια και από τερμίτες μπορεί επίσης να βελτιωθεί μέσω της ακετυλίωσης.[5]
Εκτός από μύκητες που αποικοδομούν το ξύλο, το ξύλο που εκτίθεται στο ηλιακό φως καιστη βροχή-χαλάζι-χιόνι, υπόκειται σε διαδικασία φωτοχημικής διάβρωσης και σταδιακής αποσύνθεσης.
Στην ξύλινη επιφάνεια που βλέπει το φως του ήλιου, παράγονται αργά και σταδιακά σκουρόχρωμα, χαμηλού μοριακού βάρους προϊόντα αποικοδόμησης από φωτοοξειδωτικές αντιδράσεις, οι οποίες πυροδοτούνται ουσιαστικά από τηνυπεριώδη ακτινοβολία.
Αυτά τα προϊόντα αποικοδόμησης ξεπλένονται από τη βροχή μετην πάροδο του χρόνου, με αποτέλεσμα είτε τη λεύκανση του ξύλου καιτην αλλαγή της δομής της επιφάνειας, είτε και τοπικές μαυράδες.
Επειδή το ακετυλιωμένο ξύλο έχει πολύ χαμηλότερη υγρασία ισορροπίας από τομη επεξεργασμένο ξύλο, τα προϊόντα αποικοδόμησης ξεπλένονται πιο αργά. Επιπλέον, η φωτοξειδωτική αποσύνθεση των ακετυλιωμένων πολυμερών του κυτταρικού τοιχώματος συμβαίνει πιο αργά. Η ακετυλίωση δεν μπορεί να σταματήσει τη διαδικασία φωτοχημικής διάβρωσης στο ξύλο, αλλά μπορεί νατην επιβραδύνει αρκετά.[5]
Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι η ακετυλιωμένη ξυλεία καλό είναι να υφίσταται φινίρισμα επιφανείας ή και βαφή.[12]
Εταιρείες που σήμερα παράγουν αυτό τον τύπο ξυλείας, υπάρχουν μόνον δύο στον κόσμο.
Η εταιρεία μετην επωνυμία Accsys Technologies,με έδρα το Λονδίνο (πρώην Titan Wood) υπήρξε αρχικά η μοναδική βιομηχανία παραγωγής ακετυλιωμένης ξυλείας.
Το 2007 ξεκίνησε η μεγαλύτερης κλίμακας παραγωγή του προϊόντος αυτού με χρήση ακτινωτής πεύκης (Pinus radiata), προέλευσης Αυστραλίας και Νέας Ζηλανδίας, που είχε την επωνυμία Accoya, στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις παραγωγής της εταιρείας στοΆρνεμ της Ολλανδίας.[13]
Μία άλλη αμερικανική εταιρεία, ηEastman Chemical παρήγαγε για κάποιο μικρό διάστημα επίσης ακετυλιωμένο ξύλο. Σταμάτησε, ωστόσο, την παραγωγή για άγνωστους λόγους το 2014.[14]
Callum A. S. Hill: Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes. Wiley 2006, ISBN 0-470-02172-1.
Fuchs, W. (1928). Zur Kenntnis des genuinen Lignins, I.: Die Acetylierung des Fichtenholzes. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 61(5), 948–951.
↑Mantanis, George I.; Lykidis, Charalampos; Papadopoulos, Antonios N. (2020-07-23). «Durability of Accoya Wood in Ground Stake Testing after 10 Years of Exposure in Greece». Polymers (MDPI AG) 12 (8): 1638. doi:10.3390/polym12081638. ISSN2073-4360.
↑Ibach, Rebecca E.; Rowell, Roger M. (2021-02-24). «USDA Forest Service Forest Products Laboratory: Acetylation of Wood 1945–1966». Forests (MDPI AG) 12 (3): 260. doi:10.3390/f12030260. ISSN1999-4907.
