Μελέτη μεθόδων και υλικών εμποτισμού πριστής ξυλείας οξιάς με φυτικά έλαια: δυνατότητες αξιοποίησης σε κατασκευές εξωτερικού χώρου

Abstract

Due to even – increasing concern about the pollution of the environment, the sustainability of the process of wood as a material, is presenting more attention and consists of three axes: 1. Environmentally friendly processes, 2. Renewable substances and 3. non – toxic biodegradable products. In the present PhD Thesis, an impregnation program of Greek beech wood (Fagus sylvatica) with inedible olive oil of high acidity was developed, which intends to increase the duration of wood in outdoor uses. More specifically, the effects of impregnation conditions (pressure, vacuum and oil temperature) and type of wood (sapwood – heartwood) were studied regarding the properties of impregnated wood (physical, mechanical and chemical). The innovation factor of the proposal, lies in the effort to address the existing problem of hygroscopicity and anisotropy of wood, which ultimately leads to a drastic reduction of repetitive maintenance of wooden structures, drastic reduction of their deformation and the risk of attack by certain biological factors (Coniophora puteana and Coriolus versicolor). The extra cost of production for the proposed additional impregnation methodology is limited and in any case negligible compared to the improvement of the studied properties of structures for outdoor uses. The further goal of the PhD thesis was to protect the strengthening of sustainable development through the effective use of ecological materials, such as wood and vegetable oils. Thus, two Greek products (beech wood and olive oil) are processed in order to produce a new product (impregnated wood). The research was carried out in 3 phases, the first two of which aimed to find optimal contitions for impregnation of beech wood with inedible olive oil, through the study of the effect of pressure – vacuum size and oil temperature. More specifically, the first phase of research was carried out in order to roughy estimate the proper combinations of pressure and vacuum based on the retention of oil in the wood mass, the depth of oil penetration, the dimensional stability – swelling in water repellency of oil impregnated wood. From the first phase, ideal impregnation conditions emerged and the application of 2 bar pressure and -0.3 bar bacuum was selected, which were applied in the second phase. In the second phase, the effect of temperature of the impregnating agent was investigated, through the chance of its viscosity in the impregnation of beech wood. The optimal impregnation conditions resulting from the second phase were 2 bar pressure, -0.3 bar vacuum and 20 ˚C oil temperature. The duration of pressure and vacuum remained constnt in all phases (initial vacuum for 20 min and pressure for 30 min). Thes conditions were applied also in the third phase, in which the effect of the type of beech wood (heartwood – sapwood) was examined. The results of third phase show that the oil retention and the depth of penetration affected by the impregnation of the speciments, regarding the wood type. Dimensional stability – swelling in water (radial, tangential and volumetric), water repellency efficiency and resistance to brown and white fangi (Coniophora puteana and Coriolus versicolor), are affected by the impregnation of the specimens with olive oil, while not affected by the type of wood. In terms of mechanical properties (resistance to static bending), both the impregnation of the specimens with olive oil and the type of wood, do not affect the modulus of rupture (MOR) and the modulus of elasticity (MOE). The tensile shear strength of lap joints and abiotic factors (morphological and color chancges) are affected by impregnation with olive oil and the type of wood.

Λόγω της συνεχώς αυξανόμενης ανησυχίας για τη μόλυνση του περιβάλλοντος, η βιωσιμότητα της τροποποίησης του ξύλου σαν υλικό, τυγχάνει όλο και μεγαλύτερης προσοχής και αποτελείται από τρεις άξονες: 1. φιλικές προς το περιβάλλον διαδικασίες, 2. ανανεώσιμες ουσίες τροποποίησης και 3. μη τοξικά, βιοαποικοδομήσιμα προϊόντα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένα πρόγραμμα εμποτισμού ελληνικής ξυλείας οξιάς (Fagus sylvatica) με μη βρώσιμο ελαιόλαδο μεγάλης οξύτητας, με το οποίο επιδιώκεται η αύξηση της διάρκειας χρήσης της σε κατασκευές εξωτερικού χώρου. Ειδικότερα, μελετήθηκαν οι επιδράσεις των συνθηκών εμποτισμού (μέγεθος πίεσης - υποπίεσης, θερμοκρασία ελαίου) και ο τύπος του ξύλου (σομφό - εγκάρδιο) αναφορικά με τις ιδιότητες του εμποτισμένου ξύλου (φυσικές, μηχανικές και χημικές). Το καινοτόμο στην όλη πρόταση, έγκειται στην προσπάθεια αντιμετώπισης του υπαρκτού προβλήματος υγροσκοπικότητας και ανισοτροπίας του ξύλου, που οδηγεί τελικά στη δραστική μείωση της επαναλαμβανόμενης συντήρησης των ξύλινων κατασκευών, το δραστικό περιορισμό των παραμορφώσεών τους και του κινδύνου προσβολής από συγκεκριμένους βιολογικούς παράγοντες (Coniophora puteana και Coriolus versicolor). Η επιβάρυνση του κόστους παραγωγής με την προτεινόμενη επιπλέον μεθοδολογία εμποτισμού είναι περιορισμένη και σε κάθε περίπτωση αμελητέα μπροστά στη βελτίωση των μελετηθέντων ιδιοτήτων και στην αύξηση της διάρκειας ζωής των κατασκευών που προορίζονται για χρήση σε εξωτερικούς χώρους. Ταυτόχρονα επιτυγχάνεται μείωση της ανάγκης συχνής συντήρησης των ξύλινων κατασκευών και μείωση της επιβάρυνσης του περιβάλλοντος με τοξικά χημικά. Απώτερος σκοπός της διδακτορικής διατριβής, ήταν η προστασία της αειφόρου ανάπτυξης μέσω της αποτελεσματικής χρήσης οικολογικών υλικών, όπως είναι το ξύλο και τα φυτικά έλαια. Συγκεκριμένα, εμποτίστηκε ξυλεία οξιάς με μη βρώσιμο ελαιόλαδο, η οποία θα διαθέτει ορισμένες βελτιωμένες ιδιότητες (υγροσκοπικότητα, διαστασιακή σταθερότητα, αυξημένη αντοχή σε βιολογικούς παράγοντες, κ.α.) με σκοπό να καταστεί ως ένα βαθμό ιδανική για κατασκευές εξωτερικού χώρου. Με αυτόν τον τρόπο δύο ελληνικά προϊόντα (ξυλεία οξιάς και ελαιόλαδο) χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενός νέου προϊόντος (εμποτισμένη ξυλεία). Η έρευνα διεξήχθη σε επιμέρους ενότητες, εκ των οποίων οι δύο πρώτες αποσκοπούσαν στην ανεύρεση βέλτιστων συνθηκών εμποτισμού ξυλείας οξιάς με μη βρώσιμο ελαιόλαδο, μέσω της μελέτης της επίδρασης του μεγέθους πίεσης - υποπίεσης και της θερμοκρασίας του ελαίου. Συγκεκριμένα, στην πρώτη ενότητα πραγματοποιήθηκε αδρομερής εκτίμηση συνδυασμών πίεσης και υποπίεσης, με κριτήριο την συγκράτηση του ελαίου στη μάζα του ξύλου, το βάθος διείσδυσης του ελαίου, την διαστασιακή σταθερότητα – διόγκωση σε νερό και την αποτελεσματικότητα απώθησης νερού του εμποτισμένου με έλαιο ξύλο. Από την πρώτη ενότητα προέκυψαν ιδανικές συνθήκες εμποτισμού και επιλέχθηκε η εφαρμογή πίεσης 2 bar και υποπίεσης -0.3 bar. Στη 2η ενότητα πραγματοποιήθηκε έλεγχος της επίδρασης της θερμοκρασίας του εμποτιστικού μέσου, μέσω της αλλαγής του ιξώδες του στον εμποτισμό ξυλείας οξιάς, με βάση τα αποτελέσματα της 1ης ενότητας. Οι βέλτιστες συνθήκες εμποτισμού που προέκυψαν από τη 2η ενότητα ήταν πίεση 2 bar, υποπίεση -0.3 bar και θερμοκρασία ελαίου 20 ˚C. Η χρονική διάρκεια πίεσης και υποπίεσης παρέμεινε σταθερή σε όλες τις ενότητες (αρχικό κενό για 20 min και μετέπειτα πίεση για 30 min). Οι συνθήκες αυτές εφαρμόστηκαν στην 3η ενότητα, όπου εξετάστηκε η επίδραση του τύπου ξύλου οξιάς (εγκάρδιο – σομφό). Από τα αποτελέσματα της 3ης ενότητας παρατηρείται ότι η συγκράτηση του ελαίου και το βάθος διείσδυσης επηρεάζονται από τον εμποτισμό των δοκιμίων σε σομφό και εγκάρδιο ξύλο. Η διαστασιακή σταθερότητα – διόγκωση σε νερό (ακτινικά, εφαπτομενικά και ογκομετρικά), η αποτελεσματικότητα απώθησης νερού και η αντοχή σε βιοτικούς παράγοντες ξύλου (Coniophora puteana και Coriolus versicolor), επηρεάζονται από τον εμποτισμό των δοκιμίων με ελαιόλαδο, ενώ δεν επηρεάζονται από το είδος ξύλου (σομφό εγκάρδιο). Σε ότι αφορά τις μηχανικές ιδιότητες (αντοχή σε στατική κάμψη) τόσο ο εμποτισμός των δοκιμίων με ελαιόλαδο όσο και το είδος ξύλου (σομφό – εγκάρδιο) δεν επηρεάζουν το μέτρο θραύσης (MOR) και το μέτρο ελαστικότητας (MOE). Τέλος η ικανότητα συγκόλλησης, και οι αβιοτικοί παράγοντες (μορφολογικών και χρωματικών αλλαγών) επηρεάζονται από τον εμποτισμό με ελαιόλαδο και το είδος ξύλου (σομφό – εγκάρδιο).