Ochrana dřeva před znehodnocením
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, povětrnostním stárnutím a požárem.
Úvod
Hlavními stavebními složkami dřeva jsou celulóza, hemicelulóza, lignin a další látky organického původu, které společně tvoří kompozitní materiál vzniklý z výchozích anorganických látek, jež 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:
■ vhodným konstrukčním řešením;
■ zvyšováním trvanlivosti dřeva;
■ přiměřenou údržbou.
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 OSB deska s tímto protipožárním silikátovým povlakem. Na obr. 2 je mikroskopický snímek povrchu desky se silikátovou/cementovou směsí na bázi oxidu hořečnatého, vyztuženého mřížkou z tenkých skelných vláken, 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.
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, různými chemickými prostředky. 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);
■ 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, méně často uplatňované způsoby ochrany dřeva. Patří k nim např. plynování nebo ozařování gama zářením, případně ohřev dřeva na teplotu 60 až 70 °C po dobu cca 5 hod. při maximálně 50% 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 uvádí 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.
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 záření, iniciující chemické změny na povrchu dřeva. Povětrnostní stárnutí se zrychluje vlivem znečištění ovzduší, zejména oxidem siřičitým a oxidy dusíku. Také zvýšená teplota urychluje erozi 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 proti extrakci, tj. částečně rozložené celulózy. Tato vrstva je odolná i proti další degradaci vlivem UV záření. Složení 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 tohoto materiálu 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 jeden až dva 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 postupně degraduje dřevo pod nátěrem. Přídavek absorbéru UV záření 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.
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 nejškodlivější 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 se rozkládá lignin, což vede ke 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 se studují 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. Poměrně nedávno se začaly na dřevěné konstrukce používat nanomateriály. Řešena je například fotostabilizace dřeva v konstrukcích nanesením nanokompozitů ZnO. Prokázána byla i protiplísňová schopnost TiO2 naneseného na vlhké dřevo. Díky svým fotokatalytickým 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.
TiO2 je určen hlavně pro rozklad organických sloučenin. Mnoho materiálů s fotokatalytickými vlastnostmi se dříve používalo jako pigmenty nebo jako součást pigmentů. Bylo zjištěno, že některé z nich reagují s okolím. TiO2 je přítomen ve spoustě minerálů, které byly známy již ve starověku, ale samotný TiO2 je znám z 19. století. Na počátku 20. století začala průmyslová výroba.
TiO2 byl testován na různých typech dřeva v různých klimatických podmínkách. Použití TiO2 obvykle zvyšuje odolnost vůči houbám a plísním. Na druhé straně bylo v některých pracích zmíněno, že použití TiO2 negativně ovlivňuje mechanické vlastnosti. Nicméně výzkum TiO2 pokračuje. V módě je v současnosti velmi dobře definovaná morfologie (např. planární částice, nanotrubice) s funkcionalizovaným povrchem.
Morfologie TiO2 se liší od kuliček po trubičky. V našem případě se jedná o rovinné částice – „lístky“. Typ, který používáme, je možné připravit jako fotoaktivní i nefotoaktivní. Výchozí sloučeninou je n-hydrát síranu titanu, který se rozpustí v deionizované vodě. Dalším krokem je srážení koncentrovaným vodným NH3. Bílá sraženina se zfiltruje, řádně promyje, převede do kádinky a resuspenduje se v deionizované vodě. Poté se přidá H2O2, dokud roztok nezežloutne. Hledáme také způsoby, jak zkrátit a zachovat morfologii a stejné fyzikálně-chemické vlastnosti. Cílem naší práce je studium interakcí mezi rovinnými částicemi TiO2 a dřevní hmotou. Testování probíhá na borovém dřevu a bukovém dřevu, viz obr. 3.
Na vzorky byly aplikovány nátěrem různé povlaky a koncentrace TiO2. Vybrány byly povlaky na vodní bázi, jmenovitě směs TiO2 a vody, TiO2 a vodního skla a TiO2 s akrylovým roztokem, viz obr. 4. Na uvedeném obr. 4 je akrylový roztok s 1% nasycením TiO2 . Ve srovnání s referenčním vzorkem je zřejmé, že nátěr je zcela transparentní.
Experimentální data z UV-VIS spektroskopie jasně ukazují, že planární částice TiO2 absorbovaly široký rozsah UV záření (UVA, UVB), viz obr. 5. TiO2 byl žíhán při 200 °C, 250 °C a 300 °C, aby se odstranil zbytkový peroxid po lyofilizaci. Předmětem zájmu též bylo, zda teplota žíhání má dopad na absorpci UV záření. TiO2 žíhané při 200 °C a 300 °C má maximum na stejné vlnové délce (310 nm), maximum TiO2 žíhané při 250 °C je mírně posunuto (320 nm). Tvar a maximální absorbanční křivky jsou ve všech případech podobné. Na základě experimentálních dat předpokládáme, že v teplotním rozmezí mezi 200 °C a 300 ° C je absorbance stejná.
Rovinnou morfologii dokázala elektronová mikroskopie, viz obr. 6. Povrch částice není obyčejný, ale zvlněný, a také není zcela spojitý. Otvory pokryjí 20 % povrchu a shluky 10 %. Otvory a shluky v tomto množství nemají negativní vliv na UV absorpci materiálu, jak bylo prokázáno UV-VIS spektroskopií. Vzor xrd vykazuje téměř amorfní strukturu TiO2. Mezi intenzitou difraktogramu je velikost jádra v nanometrech. Na základě předběžných testů předpokládáme, že tento materiál není fotoaktivní.
Závěr
Myšlenka chránit venkovní dřevěné konstrukce před znehodnocením fotokatalytickým materiálem není nová. Chybějí však informace o interakci mezi fotokatalytickým materiálem a dřevem. Pro výzkum byl jako modelový materiál zvolen plošný TiO2, protože je možné jej připravit ve dvou formách – amorfní (nefotoaktivní) a krystalické (fotoaktivní). Je možné studovat interakci dvou fází morfologicky identického materiálu, což je velmi důležité, protože morfologie je jedním z hlavních faktorů s velkým dopadem na fotokatalytické vlastnosti. V probíhajícím výzkumu lze také studovat úlohu rozpouštědla (voda, vodní sklo, akryl). V případě vodního roztoku se voda odpaří a částice se uchytí Van der Waalsovými silami, takže lze studovat přímo interakce částice – dřevo. V případě roztoku vodního skla vzniká anorganická porézní struktura a částice jsou obklopeny silikátovými řetězci, jedná se o studium částice (křemičitany) – dřevo. V případě akrylátového roztoku je vytvořena organická porézní struktura pro studium systému částice – sloučeniny kyseliny akrylové. Získáná data budou využita především pro novou metodu hodnocení vlivu fotokatalytických materiálů na povrch dřeva.
Poděkování
Tento článek byl zpracován za podpory projektu GAČR 18-26297S Interakce mezi povrchem dřevní hmoty a planárními částicemi TiO2.
[1] CHEN, F.; X. YANG and Q. WU. Antifungal capability of TiO2 coated film on moist wood, Build. Environ. 44(5) (2009), pp. 1088–1093.
[2] YAMAGISHI, M.; 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.
[3] G. JIANG and J. ZENG, Proporation of nano-TiO2 / polystyrene hybride microspheres and their antibacterial properties, J. Appl. Polym. Sci. 116(2) (2010), pp. 779–784.
[4] OHKO, Y.; 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.
[5] OKUYA, M.; 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.
