Ochrana dřeva před znehodnocením aplikací nanomateriálů
V posledních letech sledujeme zvyšující se zájem o výstavbu z ekologicky šetrných materiálů. Mezi tyto materiály můžeme zcela jistě zařadit dřevo a výrobky na bázi dřeva. V souvislosti s tím je objektivní zaměřit se na jejich handicapy, kterými jsou možná znehodnocení biologickou degradací a požárem. Jednou z možností je využití nanotechnologií.
V České republice i v celém středoevropském regionu sledujeme v posledních letech zvyšující se zájem o výstavbu z ekologicky šetrných materiálů. Mezi tyto materiály můžeme jistě zařadit dřevo a výrobky na bázi dřeva. V souvislosti s tím je objektivní se zaměřit na jejich handicapy, kterými jsou jejich možná znehodnocení biologickou degradací a požárem.
1. Úvod
Hlavními stavebními složkami dřeva jsou celulóza, hemicelulóza, lignin a další látky organického původu, které společně tvoří kompozitní materiál vzniklý z výchozích anorganických látek, které stály na začátku biosyntetického procesu.
Za základní způsoby degradace dřeva proto považujeme za prvé destrukci polymerních struktur (tj. chemické reakce) a za druhé degradaci bez poškození polymerních struktur. Do první skupiny řadíme hydrolytické, dehydratační, oxidační, termooxidační, fotooxidační a biochemické reakce, které jsou vyvolány degradačními činiteli v podobě agresivních kyselin a zásad, imisí, termických účinků, UV záření a dřevokazných hub (bílá a hnědá hniloba). Druhá skupina představuje znehodnocení dřeva v podobě mechanických trhlin, makroskopických otvorů a změn barevnosti povrchu dřeva, které jsou vyvolány na základě změn teploty a vlhkosti, dřevokazným hmyzem a dřevozbarvujícími houbami.
Znehodnocení dřevěné konstrukce předcházíme v zásadě uplatněním tří základních přístupů:
Obr. 1 Aplikace OSB desky s protipožárním povlakem na opláštění stěny dřevostavby
- vhodným konstrukčním řešením;
- zvyšováním trvanlivosti dřeva;
- přiměřenou údržbou.
Nejúčinnějším způsobem jak ochránit dřevěnou konstrukci před znehodnocením je konstrukční ochrana. Konstrukční ochrana spočívá v tom, že se volí vhodné konstrukční systémy včetně detailů tak, aby konstrukce byla chráněna proti vlivům povětrnosti. Dřevěná konstrukce má být dobře odvětraná, aby absolutní vlhkost dřeva nepřekročila 15 % až 18 %. Zvýšenou pozornost je třeba věnovat částím konstrukce, které jsou v přímém styku se zdivem a základy. Na výrobu dřevěných konstrukcí se nesmí používat dřevo se zbytky kůry, aby se do konstrukce nezanesl dřevokazný hmyz.
Řešení problematiky ochrany dřeva a materiálů na bázi dřeva proti účinkům požáru je kapitola sama o sobě. Při řešení této problematiky hrají v současnosti významnou roli například tenké silikátové povlaky vyztužené skelnými vlákny. Na obr. 1 je příklad aplikace OSB desky s tímto protipožárním silikátovým povlakem při řešení opláštění stěny lehkého dřevěného skeletu včetně mikroskopického snímku povrchu desky, na kterém je patrná struktura vyztužení silikátové vrstvy.
V tomto článku se dále budeme věnovat zejména otázkám biologické degradace a povětrnostního stárnutí dřeva včetně možnosti aplikace nanotechnologií při řešení této problematiky.
2. Biologická degradace dřeva
Obecně lze říci, že k napadení dřeva biologickými škůdci jsou nutné čtyři hlavní podmínky:
- dostatečná vlhkost;
- kyslík;
- teplo;
- výživný substrát.
Je třeba poznamenat, že dřevo, jehož vlhkost je trvale nižší než 18 %, nebývá běžně napadeno dřevokaznými houbami. Dřevo, jehož vlhkost je trvale nižší než 10 %, nebývá běžně napadeno dřevokazným hmyzem.
Vlhkost dřeva je v konstrukcích, které jsou správně navrženy a bez závad, dostatečně nízká, aby k napadení nedošlo. Pro napadení je nutné, aby byla konstrukce vlhčena z nějakého zdroje vlhkosti. Kyslík čerpají biotičtí škůdci ze vzduchu, kterého je ve dřevě vždy dostatek, pokud není trvale ponořeno pod vodou. Teplota je v naší zeměpisné poloze po většinu roku vyhovující, výživným substrátem je samotné dřevo.
Mezi nejčastější příčiny napadení dřeva patří jeho nadměrná vlhkost při zabudování do konstrukce nebo jeho dodatečné zvlhčení, což je nejčastěji způsobeno těmito nedostatky: zatékání střechou, porušená instalace, kondenzace par a vytvoření skleníkového prostředí, technologická voda, vzlínání, nevětraný prostor, případně nedostatečně provedená oprava.
Varující je skutečnost, že se napadení dřeva objevuje téměř v polovině případů u nově provedených staveb. Žádná rekonstrukce nebo nástavba na staré konstrukce by proto neměla být zahájena bez předchozí prohlídky a dokonale provedené asanace. Při realizaci stavebních prací bychom si měli uvědomit, že částka vynaložená na odbornou prohlídku dřevěné konstrukce a nákup ochranných prostředků je z hlediska celkových nákladů na stavbu zanedbatelná.
Trvanlivost dřeva proti dřevokazným houbám a hmyzu se zajišťuje především impregnací pomocí různých chemických prostředků. Způsob impregnace dřeva je přitom dán expozicí, ve které se bude dřevo nacházet. Prostředků chemické ochrany dřeva je velmi mnoho, ale ne všechny jsou zcela zdravotně nezávadné (obecně, co škodí houbám a hmyzu, může škodit i člověku).
Impregnaci dřeva můžeme v zásadě rozdělit následovně: na tzv. černou impregnaci, tj. impregnaci dehtovými oleji (použití např. na pražce, telegrafní sloupy) a tzv. bílou impregnaci, která se provádí vodou ředitelnými látkami. Podle provedení lze impregnaci rozdělit na tlakovou, tedy průmyslově prováděnou v kotlích (autoklávech) v impregnačních stanicích, kdy je dřevo napuštěno ochrannou látkou do větší hloubky, a pak na impregnaci beztlakovou, což je nátěr, postřik, máčení, injektáž.
Kromě impregnace dřeva ochrannými látkami je možné využívat ještě jiné způsoby ochrany dřeva, které se používají méně často. Patří k nim např. plynování nebo ozařování gama zářením, případně ohřev dřeva na teplotu 60 až 70 °C po dobu cca 5 hodin, při maximálně padesátiprocentní vlhkosti prostředí. Pro plynování se používá obvykle fosforovodík nebo kyanovodík. Tento zásah má jednorázový účinek (využívá se např. v památkově chráněných objektech). Radiační ošetření spočívá ve využití gama záření, které má biocidní účinky. Jde opět o jednorázový účinek, kromě toho je tento způsob finančně náročný a rozměry předmětů určených k ozáření musí odpovídat velikosti komory (používá se např. na starožitný nábytek, umělecké předměty ze dřeva, části oltářů apod.).
Je třeba zdůraznit, že k ochraně dřeva by měly být použity jen přípravky, jejichž účinnost je ověřena státní zkušebnou. Každý ochranný prostředek má být též označen na etiketách a prospektech typovým označením podle platných technických norem, které vyjadřuje základní charakteristiku ochranného prostředku a to jak z hlediska jeho účinnosti, tak zdravotní a ekologické nezávadnosti. Návody na použití ochranných prostředků mají též obsahovat informace o způsobu aplikace, ředění, minimálním množství na ošetření 1 m2 dřeva, hygienických opatřeních při aplikaci a poskytování první pomoci.
3. Povětrnostní stárnutí dřeva
Hlavními činiteli, kteří vyvolávají změny na povrchu dřeva, jsou sluneční záření, vzdušný kyslík, vlhkost (déšť, rosa, sníh, vzdušná vlhkost), vítr, mráz a zvýšená teplota. Nejnebezpečnější je energie slunečního zářeni, která iniciuje chemické změny na povrchu dřeva. Povětrnostní stárnutí se zrychluje vlivem znečištění ovzduší, zejména oxidem siřičitým a oxidy dusíku. Také zvýšená teplota zvyšuje rychlost eroze dřeva.
Sluneční záření vyvolává žloutnutí až hnědnutí dřeva. Tyto změny jsou vyvolány fotooxidační degradací ligninu v povrchových dřevních buňkách a zasahují do hloubky 0,05–2,5 mm. Při současném působení dešťové vody se žluté a hnědé degradační produkty vyplavují a na povrchu dřeva zůstává nerozpustná vrstva, zbarvená šedě. Vzniklá šedá vrstva se skládá z podílů odolnějších k extrakci, tj. částečně rozložené celulózy. Tato vrstva je odolná i k další degradaci vlivem UV záření. Složeni vnitřních vrstev dřeva několik mm pod vnější šedou vrstvou je v zásadě beze změny.
Vlhkost dopadající na nechráněné dřevo rychle proniká povrchovou vrstvou vlivem kapilárních sil a dále je sorbována do buněčných stěn. Dřevo díky tomu zvětšuje objem a vlivem rozdílného obsahu vlhkosti na povrchu a uvnitř dřeva vzniká napětí. Následkem toho vznikají mikropraskliny až makropraskliny a výsledkem je zdrsnění povrchu dřeva.
Kyselé znečištění ovzduší obecně zvyšuje rychlost degradace dřeva. O degradaci dřeva oxidem siřičitým je však zatím velmi málo údajů. Bylo zjištěno, že dřevo sorbuje oxid siřičitý, který však proniká pouze nepatrně pod povrch, maximálně do hloubky 0,3 mm, ale může vyvolat separaci ligninu od celulózy a tak být dalším faktorem, který přispívá ke stárnutí nechráněného povrchu dřeva.
Povrchová úprava dřeva v interiéru chrání dřevo po řadu desetiletí. V exteriéru mají některé nátěry životnost pouze 1–2 roky v důsledku jejich degradace UV zářením a působení vlhkosti. Životnost ochrany povrchu dřeva v exteriéru závisí na dřevě samotném a jeho vlastnostech, jako je obsah vlhkosti, charakter povrchu, hustota, obsah pryskyřice, šířka a orientace letokruhů a různé defekty. Dalšími faktory jsou podstata a kvalita nátěrové hmoty, technologie aplikace nátěru, předchozí úpravy a místní klimatické podmínky.
Obecně mají lepší schopnost ochrany dřeva v exteriéru krycí nátěry s vysokým obsahem pigmentu než transparentní (lazurovací) nátěry. I při použití relativně stabilních syntetických pryskyřic je odolnost systému dřevo-transparentní nátěr proti povětrnosti omezena, protože UV záření proniká nátěrovým filmem a postupné degraduje dřevo pod nátěrem. Přídavek absorbéru UV zářeni a antioxidantu tento proces pouze zpomaluje.
Existují dva základní typy lazurních nátěrů na ochranu dřeva vystaveného povětrnosti:
- nátěry, které tvoří vrstvu filmu na povrchu dřeva,
- nátěry, které pronikají povrchem dřeva a netvoří film.
V případě filmotvorných nátěrů vzniká neporézní film, který chrání proti degradaci a zpomaluje pronikání vlhkosti do dřeva.
Penetrující nátěry, které netvoří film, obsahují převážně pojivo rozpustné v organickém rozpouštědle, a to v nižší koncentraci než filmotvorné nátěry. Dále mohou obsahovat prostředky pro ochranu dřeva proti biologickému napadení.
Oba typy nátěrů mohou obsahovat barviva různých odstínů.
4. Možnosti použití nanomateriálů
Dřevo vystavené povětrnostním podmínkám degraduje, zejména v důsledku působení světla a vody. Předpokládá se, že ultrafialová (UV) světelná složka slunečních paprsků má nejvíce škodlivý účinek na dřevo v důsledku depolymerizace ligninu v buněčné stěně. Fotochemická degradace dřeva způsobená slunečním zářením nastává na povrchu dřeva poměrně rychle. V důsledku toho je rozkládán lignin a vede to k zhoršení fyzikálních, chemických a biologických vlastností dřeva. Rozklad ligninu v povrchových buňkách dřeva vede ke změně barvy dřeva. Dalším hlavním důvodem zvětrávání dřeva je jeho časté vystavení rychlým změnám vlhkosti.
V poslední době jsou studovány nové způsoby ukládání tenkých vrstev na dřevěné povrchy za účelem zvýšení jejich odolnosti proti vlhkosti a UV záření. Jedná se například o uložení tenkých vrstev, provedené studeným plazmovým nanášením chemických par, nebo nánosem speciálního gelu. Velmi nedávno začaly být na dřevěné konstrukce používány nanomateriály. Řešena je například fotostabilizace dřeva v konstrukcích nanesením nanokompozitů ZnO. Prokázána byla i protiplísňová schopnost TiO2 naneseného na vlhké dřevo. Díky svým vlastnostem se nanočástice TiO2 jeví zajímavým nástrojem pro ochranu dřeva. Pro přípravu nanočástic TiO2 byly dosud použity různé metody, jako je například tepelná nebo anodická oxidace Ti.
Obr. 2 Nanodestičky TiO2
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Praze disponuje rozsáhlými laboratořemi pro testování stavebně technických vlastností budov, vnitřního prostředí budov a v neposlední řadě mechanických vlastností stavebních materiálů na makro i mikro úrovni. Je dobře vybaveno pro provádění nedestruktivních zkoušek dřevěných prvků a mechanickou laboratoří pro destruktivní zkoušky jeho materiálových vlastností. Disponuje rastrovacím elektronovým mikroskopem FEG s vysokým rozlišením, s EDS, WDS a EBSD detektory, včetně rozsáhlé databáze krystalografických dat. Optickým polarizačním mikroskopem se sadou objektivů EC Plan Neo-fluar, jak pro procházející, tak i pro odražené světlo a 3D binokulárním mikroskopem s vysokým rozlišením.
Centrum v současnosti řeší výzkumný projekt, jehož cílem je nalézt způsob jak omezit, a nejlépe zamezit atmosférické korozi a degradaci dřeva. Dílčím cílem je snížit změnu barvy dřeva v dřevěných konstrukcích způsobenou dřevozbarvujícími houbami a plísněmi. K dosažení tohoto cíle je představa využít novou morfologickou formu TiO2. Jedná se o 2D strukturní částice – nanodestičky TiO2 (viz obr. 2).
Problematika využití TiO2 pro řešení problematiky ochrany dřeva není zcela novou. Touto problematikou se zabývá v současnosti na světě již více pracovišť. Nicméně aplikace i forma přípravy TiO2 mají mnoho různých možností. Například s nárůstem teploty nanášení je velikost nanočástic menší.
Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu GAČR 18-26297S „Interakce mezi povrchem dřevní hmoty a planárními částicemi TiO2“.
Literatura
- F. Chen, X. Yang, and Q. Wu, Antifungal capability of TiO2 coated film on moist wood, Build. Environ. 44(5) (2009), pp. 1088–1093.
- M. Yamagishi, S. Kuriki, P. K. Song, and Y. Shigesato, Thin film TiO2 photocatalyst deposited by reactive magnetron sputtering, Thin Sol. Films 442 (2003), pp. 227–231.
- G. Jiang and J. Zeng, Proporation of nano-TiO2/polystirene hybride microspheres and their antibacterial properties, J. Appl. Polym. Sci. 116(2) (2010), pp. 779–784.
- Y. Ohko, S. Saitoh, T. Tatsuma, and A. Fujishima, Photoelectrochemical anti-corrosion and selfcleaning effects of a TiO2 coating for type 304 stainless steel, J. Electrochem. Soc. 148 (2001), pp. B24–B28.
- M. Okuya, K. Nakade, and S. Kaneko, Porous TiO2 thin films synthesized by a spray pyrolysis deposition (SPD) technique and their application to dye-sensitized solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 70 (2002), pp. 425–435.
This paper is focus on the issues of biological degradation and aging of wood, including the possibility of applying nanotechnologies to solve this problem. Nowadays, there is no information about the interactions between wooden surface and non-photoactive or photoactive form of TiO2. TiO2 exists in many morphological forms. The planar particles were chosen for application and applied on wooden surface for creating a transparent layer. Obtained data will be used for new evaluation method of influence photocatalytic materials on wooden surface.