Ακετυλιωμένη ξυλεία

Η ακετυλιωμένη ξυλεία (γνωστή και ως Accoya) είναι προϊόν ξύλου - που είναι οικολογικό και δεν περιέχει τοξικές ουσίες - το οποίο έχει υποστεί ειδική χημική επεξεργασία με οξικό ανυδρίτη και διαδικασία χημικής τροποποίησης προκειμένου να μην υφίσταται βιολογικές προσβολές από μύκητες και ξυλοφάγα έντομα και να έχει υψηλή ανθεκτικότητα στο χρόνο (μεγάλη διάρκεια ζωής) και αντοχή στην υγρασία και στις εξωτερικές συνθήκες του περιβάλλοντος. Αποτελεί ένα προϊόν έρευνας στον τομέα των επιστημών ξύλου. Χημική τροποποίηση προκύπτει με αντίδραση των συστατικών του ξύλου (βλ. ελεύθερα υδροξύλια ιδίως της λιγνίνης και των 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 υδρογόνου με μόρια νερού και τα κυτταρικά τοιχώματα «κλειδώνουν» από υλικό. Τα χημικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται είναι μη τοξικά και η τυχόν ανακύκλωση και απόρριψη του ακετυλιωμένου ξύλου είναι εφικτή, χωρίς κανένα περιορισμό.Η ξυλεία Accoya είναι πολύ ανοιχτού χρώματος και έχει υψηλή φυσική διάρκεια και έντονη υδροφοβία, όπως έχουν δείξει διάφορες έρευνες. Η εν λόγω ξυλεία είναι κατάλληλη για εξωτερικές ξύλινες κατασκευές 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 και την φυσική ανθεκτικότητά της.

 Η αρχική ιδέα για αυτή την τεχνολογία της ακετυλίωσης του ξύλου βασίζεται σε έρευνες στις ΗΠΑ (Forest Products Laboratory) από τους ερευνητές Alfred J. Stamm και Harold Tarkow κατά τη δεκαετία του 1940.Η πρώτη ύλη για το 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 με τον 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. Η διαδικασία ξεκινά με τροφοδοσία των χημικών αντιδραστηρίων σε πρώτη ύλη ξύλου, και την έγχυση του διαλύματος οξικού ανυδρίτη. Το διάλυμα μπορεί να εισαχθεί υπό κενό, σε περίσσεια πίεση ή σε ατμοσφαιρική πίεση. Για να κορεστεί το ξύλο με το 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) και θα θερμανθεί μαζί με το ξύλο κατά τον εμποτισμό. Πρέπει να επιτευχθούν θερμοκρασίες γύρω στους 120 °C ώστε να γίνει η πραγματική αντίδραση ακετυλίωσης μεταξύ του ξύλος και του αντιδραστηρίου. Δεν χρησιμοποιείται καταλύτης ή άλλο πρόσθετο χημικό. Οι υδροξυλικές 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 λιγνίνης και μέγιστα των ημικυτταρινών. Η περίσσεια του διαλύματος οξικού ανυδρίτη που δεν έχει απορροφηθεί από το ξύλο μπορεί να αφαιρεθεί είτε πριν από την αντίδραση ακετυλίωσης είτε το αργότερο μετά. Για να εξαχθεί ο οξικός ανυδρίτης που έχει απορροφηθεί από το ξύλο αλλά δεν έχει αντιδράσει, καθώς και το 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 για την 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 και τη μετεπεξεργασία συλλέγεται και διαχωρίζεται. Ο οξικός ανυδρίτης μπορεί να ανακτηθεί από το οξικό οξύ που περιέχεται σε αυτό και να ανατροφοδοτηθεί στην όλη διαδικασία. Η όλη διαδικασία παραγωγής είναι πολύωρη. Για να 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 με τα μόρια του νερού, προκαλεί διόγκωση του ξύλου, η αύξηση του όγκου μπορεί να χρησιμεύσει ως μια παράμετρος για το 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 με την ποσότητα του οξικού ανυδρίτη που εν τέλει κατέστη χημικά δεσμευμένος με το ξύλο στα κυτταρικά τοιχώματα. Περαιτέρω παράμετροι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση του βαθμού ακετυλίωσης είναι η αντίσταση στην έκπλυση με νερό, η ηλεκτρική αγωγιμότητα ή μέθοδοι όπως π.χ. ανάλυση HPLC ή φασματοφωτομετρία. Η ακετυλίωση αλλάζει μόνιμα τη χημική σύνθεση του ξύλου. Η χημική τροποποίηση επηρεάζει θετικά διάφορες μηχανικές και φυσικές ιδιότητες, καθώς και την ανθεκτικότητα του ξύλου έναντι εντόμων και μικροοργανισμών που καταστρέφουν το ξύλο. Ανάλογα με το είδος του ξύλου και το βαθμό τροποποίησης, η ακετυλίωση συνήθως οδηγεί σε αποχρωματισμό του ξύλου και σε αύξηση της πυκνότητας και της σκληρότητάς του. Ανάλογα με την ποσότητα της μετεπεξεργασίας, το τελικό προϊόν ξύλου μπορεί να μυρίζει περισσότερο ή λιγότερο έντονα, οξικό οξύ. Αυτό διαπιτώνεται εύκολα κατά την κοπή του. Κατά την αντίδραση της ακετυλίωσης, οι υδρόφιλες υδροξυλικές ομάδες των πολυμερών του κυτταρικού τοιχώματος του ξύλου αντιδρούν χημικά για να 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 με το 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 ινοκόρου του ξύλου), ενώ το ξύλο που έχει υποστεί ένα χειρισμό ακετυλίωσης (με WPG 20%) έχει πλέον τελική υγρασία ισορροπίας μόνον 10-12 %. Βέβαια και ο ρυθμός προσρόφησης του νερού μειώνεται πάρα πολύ. Η αντικατάσταση των υδρόφιλων υδροξυλικών ομάδων των 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 με το μη επεξεργασμένο, φυσικό ξύλο. Συνεπώς έχει και πολύ μειωμένη διόγκωση και ρίκνωση. Η ακετυλίωση αυξάνει τη φυσική αντοχή του ξύλου. Η αντοχή του στην 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 για την ανάπτυξη μυκήτων. Επιπλέον, οι μοριακές δομές του κυτταρικού τοιχώματος, οι οποίες διασπώνται εύκολα από μύκητες, αλλάζουν με την ακετυλίωση με τέτοιο τρόπο, ώστε οι μυκητιακές υφές να μην μπορούν πλέον να διεισδύσουν μέσα από το μικροπορώδες κυτταρικού τοιχώματος και να το διασπάσουν. Διάφορα είδη ξύλου μπορούν να προστατευθούν πλήρως από την καστανή, τη λευκή ή την μαλακή σήψη μέσω ακετυλίωσης και να 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. Εκτός από μύκητες που αποικοδομούν το ξύλο, το ξύλο που εκτίθεται στο ηλιακό φως και στη 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 την υπεριώδη ακτινοβολία. Αυτά τα προϊόντα αποικοδόμησης ξεπλένονται από τη βροχή με την πάροδο του χρόνου, με αποτέλεσμα είτε τη λεύκανση του ξύλου και την αλλαγή της δομής της επιφάνειας, είτε και τοπικές μαυράδες. Επειδή το ακετυλιωμένο ξύλο έχει πολύ χαμηλότερη υγρασία ισορροπίας από το μη 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 να την επιβραδύνει αρκετά.Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι η ακετυλιωμένη ξυλεία καλό είναι να υφίσταται φινίρισμα επιφανείας ή και βαφή. Εταιρείες που σήμερα παράγουν αυτό τον τύπο ξυλείας, υπάρχουν μόνον δύο στον κόσμο. Η εταιρεία με την 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 στο Άρνεμ της Ολλανδίας.Μία άλλη αμερικανική εταιρεία, η Eastman Chemical παρήγαγε για κάποιο μικρό διάστημα επίσης ακετυλιωμένο ξύλο. Σταμάτησε, ωστόσο, την παραγωγή για άγνωστους λόγους το 2014. Φουρφουρυλιωμένη ξυλεία (Kebony), που είναι επίσης παραγόμενη από ακτινωτή πεύκη, αλλά και από πεύκο Αμερικής και σφενδάμι. Θερμικά τροποποιημένο ξύλο (Thermally Modified Timber), που είναι ξυλεία που έχει υποστεί θερμική τροποποίηση σε κλίβανο, χωρίς χρήση χημικών. Εμποτισμένη ξυλεία, που είναι ξυλεία που έχει εμποτιστεί υπό υψηλή πίεση με χρήση προστατευτικών χημικών ενώσεων. Holger Militz: Übersichtsbericht – Acetyliertes Holz – (Naturwissenschaftliche und technologische Grundlagen, materialtechnische und ökonomische Möglichkeiten und Grenzen, aktueller Stand der Umsetzung). SGD Süd-Forstliche Versuchsanstalt Rheinland-Pfalz, 2011. online auf: FAWF.Wald-RLP.de abgerufen am 6. Januar 2014, PDF; 915 KB Ulf Lohmann: Holzlexikon. 4. Auflage. Nikol Verlagsgesellschaft, Hamburg 2010, ISBN 978-3-86820-086-7. 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.