Projekti / Programi
Mineralizacija lesa s spojinami na osnovi karbonatov za izboljšane bistvene značilnosti materiala
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.01.00 |
Biotehnika |
Gozdarstvo, lesarstvo in papirništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T460 |
Tehnološke vede |
Lesna, kašna in papirna tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
les, mineralizacija, impregnacija, zaviralci gorenja, bistvene značilnosti.
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
35412 |
dr. Andreja Pondelak |
Materiali |
Vodja |
2018 - 2020 |
107 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
1502 |
Zavod za gradbeništvo Slovenije |
Ljubljana |
5866324000 |
9.996 |
Povzetek
Les je zaradi svojih edinstvenih lastnosti vsestransko uporabljen trajnostni material, ki pa ima nekaj pomanjkljivosti. Je vnetljiv in gorljiv ter podvržen propadanju zaradi številnih dejavnikov (mikroorganizmi, vodo in ultravijolično sevanje). Gorljivost lesa lahko zmanjšamo s premazovanjem in dodajanjem zaviralcev gorenja ali z razvojem lesno-anorganskih kompozitov. Ker nekateri zaviralci pri gorenju izločajo strupene in rakotvorne snovi in je zato njihova uporaba prepovedana ali strogo nadzorovana, raziskovalci iščejo netoksične in »okolju prijazne« nadomestke. Ena od možnosti zaščite lesa pred gorenjem je modifikacija lesa z vgrajevanjem kovinskih karbonatov ali hidroksidov. Le-ti pri endotermnem razpadu sproščajo nestrupene in nevnetljive pline, CO2 ali H2O, ki razredčijo in ohladijo zmes vnetljivih produktov gorenja. Pred kratkim so razvili dva postopka vgrajevanja CaCO3 v strukturo lesa. Prvi temelji na izmenjavi CaCl2 v etanolu in NaHCO3 v vodi, drugi pa na alkalni hidrolizi dimetil karbonata v prisotnosti kalcijevih ionov znotraj celične stene. Glavni pomanjkljivosti obeh metod sta dolgotrajnost procesa in nastanek škodljivih stranskih produktov, kot sta NaCl in metanola. NaCl povzroča korozijo kovinskih elementov, ki so pogosto vgrajeni v lesene izdelke, medtem ko je drugi škodljiv za okolje.
V pričujočem projektu bomo z namenom da izboljšamo odpornost na ogenj in trajnost lesa razvili novo metodo vgrajevanja karbonatov (CaCO3, MgCO3 in SrCO3) in hidroksida (Al(OH)3) v strukturo lesa, ki temelji na globoki impregnaciji s topnimi organskimi spojinami. Princip delovanja je naslednji: ob prisotnosti vode predlagane vodotopne organske spojine v strukturi lesa razpadejo na karbonat/e ali hidroksid. Reakcija ne vodi do škodljivih stranskih proizvodov. Prednost novo predlaganega postopka, v primerjavi s tradicionalnim vgrajevanjem karbonatov, je enostavnost, ekološka sprejemljivost in učinkovitost. Glavni cilj projekta je pridobiti in poglobiti znanje o mineralizaciji lesa, oceniti vpliv predlaganega novega postopka mineralizacije na bistvene lastnosti lesa, predvsem na odziv na ogenj ter določiti mehanizme zaviranja gorenja mineraliziranega lesa. Impregnacija lesa bo potekala v tlačni posodi z menjavanjem podtlaka in nadtlaka. Za izbrani vrsti lesa (smreko in bukev) bomo določili: (i) optimalne parametre impregnacije za čim večji navzem impregnacijskega sredstva in čim globjo mineralizacijo, (ii) optimalen način sušenja impregniranih vzorcev lesa in (iii) optimalno formulacijo impregnacijskega sredstva. Ocenili bomo tudi primernost predlaganih impregnacijskih formulacij glede na njihovo učinkovitost in toksičnost. Pri vrednotenju mineralizacije lesa bomo uporabili napredno raziskovalno opremo: TG/DTA sklopljena z GC-MS, SEM, FE-SEM, µCT, FTIR, XRD, plinska sorpcija, konusni kalorimeter, itd.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagana metoda bo odprla nova področja raziskav mineralizacije lesa. Predstavljala bo okolju prijaznejšo modifikacijo lesa za izboljšanje njegove odpornost na ogenj. Novo predlagana metoda bi lahko zato nadomestila tradicionalne metode, ki temeljijo na uporabi toksičnih zaviralcev gorenja ali dolgotrajne metode mineralizacije, katerih stranski produkti so lahko škodljivi.
Metodo uporabe topnih organskih spojin na osnovi kalcijevega karbonata smo že uporabili in patentirali za utrjevanje mineralnih podlag (npr. stenske poslikave, karbonatni kamen, malte in ometi) znotraj skupine, katere članica je tudi vodja tega podoktorskega projekta. [1]. Vendar ta metoda še ni bila uporabljena na lesu in bo zato nedvomno odprla nova področja raziskav. V pričujočem predlogu projekta za mineralizacijo lesa predlagamo razširitev števila možnih topnih organskih spojin, in sicer na osnovi SrCO3, MgCO3 and Al(OH)3. Predlagana metoda predstavlja popolnoma nov pristop mineralizacije lesa in nadalje materialov na osnovi lesa.
Raziskave bodo doprinesle nova znanja o interakcijah med anorganskimi spojinami (karbonati in hidroksidi) in biološkim materialom (les). V projektu bodo predlagane raztopine na osnovi topnih stroncijevih, magnezijevih in aluminijevih organskih spojin prvič okarakterizirane, zato bodo raziskave doprinesle popolnoma nova znanja o teh spojinah. Pričakujemo, da bodo imeli rezultati, projekta, vpliv tudi na področju kristalizacije, saj bodo pridobljena znanja o kristalnih modifikacijah SrCO3, MgCO3 in Al(OH)3 ter o njihovi vgradnji v strukturo lesa. Novo predlagana metoda za mineralizacijo lesa z namenom izboljšanja odpornosti na ogenj in trajnosti v znanstveni ali tehnični literaturi še ni opisana, kar poveča pomen ter novost rezultatov projekta. Rezultati bodo patentabilni in objavljivi v znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva.
Poleg vpliva na znanost, pričakujemo da bodo imeli rezultati tudi druge vplive:
Vpliv na zdravje ljudi: pri procesu sinteze in impregnacije, kot tudi v primeru požara se ne sproščajo strupene ali rakotvorne spojine,
Gospodarski vpliv: večja trajnost lesno-anorganskih kompozitov, pripravljenih po predlagani metodi, pomeni podaljšano življenjsko dobo lesa. S tem se znižajo stroški obnove (manjša poraba sredstev za zaščito lesa) ter sečnje lesa,
Vpliv na okolje: enostavna eno-stopenjska metoda impregnacije lesa zniža stroške zaščite lesa, v primerjavi z drugimi metodami impregnacije, ki so dvo-stopenjske (na primer metoda, ki temelji na izmenjavi trdne snovi). S povečano trajnostjo lesa se zmanjša sečnja dreves.
[1] L. Škrlep, A. Pondelak, A.S. Škapin, Method for Reinforcing Porous Construction Materials and Use Calcium Acetoacetate Solution to this Aim, EU Pat. 3004028 B1, 2017.
Pomen za razvoj Slovenije
A new proposed method will open new research areas of wood mineralization. It is assumed that the new method will give an eco-friendlier modification for improvement of wood’s flammability. Proposed new method could substitute traditional methods based on incorporation of toxic fire retardants or time consuming methods with harmful by-products.
The method of using soluble calcium carbonate based compounds was already proposed and patented for reinforcement of mineral substrates (e.g. wall painting, render, mortar or carbonate based stone) by the research group, including the leader of the present project proposal [1]. However, the use of this compound on wood has not been applied yet and will therefore open new research areas. Moreover three additional possible compounds based on SrCO3, MgCO3 and Al(OH)3 are suggested for wood mineralization. The proposed method presents completely new approach for mineralization of wood and further wood based materials.
Research will bring a new knowledge in interactions between inorganic compounds (carbonates and hydroxide) and biological material (wood). Moreover the solutions of soluble strontium, magnesium and aluminium organic compounds will be characterized for the first time. Therefore research will bring completely new knowledge about these compounds. It is expected that results obtained in the project will have an influence in the field of crystallization as well. Knowledge about CaCO3, SrCO3, MgCO3 and Al(OH)3 in the wood structure as well as their crystal modifications will be obtained. Proposed new method for mineralization of wood by eco-friendly, soluble compounds for improvement wood’s reaction to fire is not yet described neither in scientific nor technical literature what increase the importance and the novelty of the results of the project. The results will be patentable and publishable in scientific high-impact journals.
Besides the impact on science, it is expected that results obtained in the project will have some additional impacts:
Health impact: in the process of production and application of proposed retardants and also in the case of fire no toxic or carcinogenic compounds are released,
Economic impact: increased durability of the wood-inorganic composites prepared by proposed method means prolonged service life of timber, less wood harvest and lower costs due to less consumption of wood preservatives,
Environmental impact: an improved, simple, one-step method means lower costs of wood protection compared to solid-exchange process where two-step methods is used, in addition increased durability of wood means decrease in wood harvest.
[1] L. Škrlep, A. Pondelak, A.S. Škapin, Method for Reinforcing Porous Construction Materials and Use Calcium Acetoacetate Solution to this Aim, EU Pat. 3004028 B1, 2017.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
