Verfahren zur Tränkung dicker Gegenstände aus Cellulosematerial durch Druckimprägnierung
Der Zweck der Holzimprägnierung ist gewöhnlich entweder die Konservierung oder die Stabilisierung der Cellulose im Holz. Die Konservierung dient zum Schutz gegen Angriff durch Insekten oder Mikroorganismen, darunter hauptsächlich Pilze. Holzangreifende Pilze können gewöhnlich in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden. In die eine Gruppe gehören solche Pilze, die lediglich eine Verfärbung des Holzes verursachen, beispielsweise blaufärbende Pilze, während die andere Gruppe Fäulnispilze umfasst, welche die Holzstruktur zersetzen. Die Stabilisierung dient dazu, Dimensions änderungen zu verhindern, die ein Verwerfen, eine Loch- und Rissbildung verursachen, wobei diese Erscheinungen durch Veränderungen der Temperatur und Feuchtigkeit der Luft verursacht werden.
Es sind schon eine ganze Anzahl verschiedener Verfahren und Imprägniermittel zur Konservierung von Holz vorgeschlagen worden, die aber alle den Nachteil haben, dass dadurch nicht gleichzeitig das Holz dimensionsstabilisiert werden kann. Gewöhnlich wird das Holz zur Konservierung unter Druck mit einem Fungicid imprägniert, beispielsweise Creosot oder verschiedenen anorganischen Salzen, die fungicide Eigenschaften haben. Zur Holzkonservierung ist es lediglich notwendig, das Konservierungsmittel in die Holzsubstanz einzubringen und es auf der Oberfläche von Kapillaren und Zellhohlräumen niederzuschlagen, wo es eine Schicht bildet, die die Oberfläche sowohl gegen Insekten und Mikroorganismen schützt, wobei die letzteren in Form von Sporen in das Holz eindringen und sich darin entwickeln können, wenn die Bedingungen günstig sind.
Unter den bisher verwendeten Holzstabilisierungsmitteln sind Polyalkohole erwähnt, jedoch haben die bisher angewandten Imprägnierungsmethoden nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt, und daher sind die Anwendungsmöglichkeiten stark begrenzt gewesen. Es genügt nicht, die äussere Fläche des Zellgewebes mit Stabilisierungsmitteln wie bei der Holzkonservierung zu beschichten, da der Polyalkohol im Wasser gelöst werden muss, welches im Zellgewebe chemisch gebunden ist, um seine Funktion zu erfüllen und dieses Wasser nach dem Trocknen des Cellulosematerials vollständig oder teilweise zu ersetzen. Demgemäss erhält man keine Stabilisierwirkung, wenn man die Hohlräume der Zellen mit einem Mittel füllt oder die Oberfläche des Zellgewebes damit beschichtet, welches nicht in das Zellgewebe selbst eindringen kann.
Daher kann das Holz nur dann befriedigend stabilisiert werden, wenn der Polyalkohol, der aus relativ grossen Molekülen besteht, vollständig das Zellgewebe durchdringen kann, derart, dass er dort gleichmässig dispergiert zurückgehalten wird, auch nach dem Trocknen des Holzes. In der Praxis wurde gefunden, dass die beim Eindringen von Konservierungsmitteln verwendeten Techniken nicht a priori auf Dimensions-stabilisierende Mittel angewendet werden können. Man kann zur Konservierung jedes Verfahren verwenden, bei dem das Holz imprägniert wird, dies ist jedoch nicht der Fall, wenn eine Dimensionsstabilisierung erreicht werden soll.
Beim Konservieren von Holz durch Imprägnierung mit Salzen verwendet man gewöhnlich eine sehr verdünnte wässrige Lösung des Salzes, die in der Regel 14 Gew.% des Konservierungsmittels enthält. Beim Holzkonservieren muss man daher grosse Mengen an Wasser eindringen lassen, die später wieder durch Trocknen entfernt werden müssen. Das im Holz anwesende Konservierungsmittel darf nicht wasserlöslich sein, da es sonst leicht ausgewaschen wird. tXblicher- weise formuliert man daher das Konservierungsmittel derart, dass es im Holz in situ wasserunlöslich niedergeschlagen wird, oder man verwendet im Gegensatz zu Stabilisierungsmitteln wie Polyalkoholen völlig wasserunlösliche Konservierungsmittel. Ein viel gebrauchtes Imprägniermittel für Holz ist Kreosotöl, das man aus Teer während der Umwandlung von Kohle in Koks gewinnt.
Das öl enthält eine grosse Anzahl verschiedener chemischer Substanzen, deren wichtigste cyclische Kohlenwasserstoffe niedriger Flüchtigkeit sind. Kreosot öl ist unlöslich in Wasser und kann daher nicht in wäss riger Lösung verwendet werden, es kann auch chemisch gebundenes Wasser im Zellgewebe nicht ersetzen oder in das Zellgewebe eindringen. Mit Kreosotöl imprägniertes Holz fühlt sich daher oft fettig an und ist schwierig anzustreichen und zu verkleben, da die fettige Substanz bei erhöhten Temperaturen aus dem Holz austritt.
Andere Methoden, die mehr oder weniger wirksam sind, können zum Aufbringen des Konservierungsmittels auf das Holz angewendet werden, beispielsweise Aufbürsten, Aufsprühen, Eintauchen und Behandlung mit Druck, ausserdem eine Imprägnierung unter Anwendung des sogenannten Tauchverfahrens. Von diesen Verfahren kann nur die Druckimprägnierung in solchen Industrien praktisch ausgeführt werden, wo schwere Holzgegenstände zu konservieren sind. Zur industriellen Druckimprägnierung von Holz mit Konservierungsmitteln werden Autoklaven venvendet, wobei das Imprägniermittel in das Holz gepresst wird.
Der Zweck der sogenannten Vollimprägnierung ist die Füllung aller Zellhohlräume mit Imprägniermittel, während im Falle des sogenannten Spartränkverfahrens nur eine begrenzte Menge an linprägniermittel zugeführt wird, die in allen Zellhohlräumen des Holzes zu dispergieren ist - ein Ziel, welches jedoch in der Praxis nicht immer erreicht werden kann.
Die bekannten Druckverfahren zur Holzkonservierung durch Vollimprägnierung zeichnen sich dadurch aus, dass man Unterdruck oder Überdruck in verschiedenen Kombinationen anwendet, und manchmal benutzt man Unterdruck allein in Kombination mit Atmosphärendruck. Dabei ist das einfachste Verfahren das Tauchverfahren, bei dem man jedoch nur sehr geringe Druckänderungen erhält. Dieses Verfahren besteht darin. dass man das Holz in eine kalte Konservierungslösung eintaucht, die dann nach und nach auf Temperaturen bis zu 909 C erhitzt wird. Durch die Wärme dehnt sich die Luft in den Zellen aus und zieht sich beim nachfolgenden Kühlen wieder zusammen, so dass der äussere Luftdruck das Konservierungsmittel in das Holz einpressen kann, wobei aber nur die äusseren Holzschichten getränkt werden können.
Vollständige Imprägnierung beim Tauchverfahren kann in manchen Fällen zur Stabilisierung von Holz mit Polyäthylenglycol (im folgenden mit PEG abgekürzt) erzielt werden, jedoch muss man dann frisch gesägtes, ungetrocknetes Holz verwenden; die Methode lässt sich auch auf archäologische Funde mit hohem Feuchtigkeitsgehalt anwenden. Dieses Imprägnierverfahren wird am besten bei konstanter Temperatur ausgeführt, und die zur vollständigen Eindiffundierung des PEG erforderliche Zeit kann Wochen, Monate oder Jahre betragen, je nach den Dimensionen des betreffenden Erzeugnisses. Das Verfahren ist daher für industrielle Anwendungen zu langsam.
Das wirksamste Verfahren zur vollständigen Holzimprägnierung ist dasjenige, bei dem ein relativ hoher Unterdruck zur Einführung des Konservierungsmittels in das Holz angewendet wird. Bei diesem Verfahren erhält man eine mehr oder weniger vollständige Imprägnierung des Holzes. Zur Ausführung dieses Verfahrens wird ein Druckgefäss zuerst mit Holz gefüllt, worauf man die Luft im Druckzylinder evakuiert und wobei ein grosser Anteil der Luft in den Zellhohlräumen des Holzes ebenfalls entfernt wird. Vorzugsweise sollte ein Vakuum in der Grössenordnung von 0,05-0,1 Atmosphären angewendet werden. Danach bringt man die Imprägnierflüssigkeit in das Druckgefäss und setzt dieses unter einen Überdruck zwischen 7 und 16 Atmosphären. Man stellt die Imprägnierzeit, gewöhnlich etwa 1-5 Stunden, so ein, dass der Splint mit Lösung gesättigt ist.
Beispielsweise sollte Fichtenholz mit einem Wassergehalt von 20-25 % und mit einem Splint von etwa 50 % ungefähr 300 1 Imprägnierflüssigkeit pro m3 absorbieren. Nach Beendigung der Imprägnierung wird der Überschuss an Imprägnierflüssigkeit abgepumpt, und zwecks Erzielung guter Resultate sollte sich eine erneute Evakuierung anschliessen.
Die bekannten Druckverfahren zur Konservierung von Holz unter Spartränkung sind von Lowry und Rüping entwickelt worden. Beim Lowry-Verfahren, welches meistens angewandt wird, füllt man den Zylinder zuerst mit Holz und Konservierungsmittel und setzt die Flüssigkeit unter einen Druck von etwa 8-12 Atmosphären, wodurch die Flüssigkeit in die Zellhohlräume des Holzes gepresst wird. Diese Hohlräume können jedoch nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt werden, da sie noch Luft enthalten, die durch die eintretende Flüssigkeit auf den gleichen Druck komprimiert wird, unter dem die Flüssigkeit steht. Nach Beendigung der Druckbehandlung schliesst sich eine Vakuumbehandlung an.
Bei diesem Verfahren ist die Absorption des Imprägniermittels begrenzt und entspricht etwa der Hälfte derjenigen Absorption, die beim Volltränkverfahren erzielt wird.
Zur Konservierung von Holz mit Kreosotöl wendet man das Rüping-Verfahren an und begrenzt dabei den Absorptionsgrad noch weiter, weil dabei vor der Einführung der Imprägnierflüssigkeit in das Druckgefäss der Luftdruck in den Zellen durch Druckluft noch stärker erhöht wird. Am Anfang wendet man einen Luftdruck von 3-6 Atmosphären an, wonach unter Aufrechterhaltung dieses Druckes das Imprägniermittel eingepumpt wird. Nach einer gewissen Zeit wird der Druck reduziert und eine Vakuumbehandlung ausgeführt. Der Absorptionsgrad beträgt etwa ein Drittel desjenigen der Vollimprägnierung, und das Zellgewebe wird nicht imprägniert, sondern nur oberflächlich mit Kreosotöl überzogen.
Verschiedene Varianten der beschriebenen Konservierungsverfahren wurden ebenfalls vorgeschlagen.
Wie vorstehend erwähnt, sind bereits Polyalkohole oder Polyalkoholäther zur Stabilisierung feuchten Holzes vorgeschlagen worden. Damit will man eine bedeutende Veränderung der Holzanisotropie erzielen und das Holz während und nach dem Trocknen in einem vollständig oder teilweise gequollenen Zustand halten.
Man erzielt einen mehr oder weniger hohen Grad an Dimensionsstabilität im Vergleich mit unbehandeltem Holz. Da die Polyalkohole und ihre Äther im allgemeinen einen hohen Siedepunkt und einen bei Temperaturen zwischen 0-1000 C sehr niedrigen Dampfdruck haben, bleiben die Substanzen unbegrenzte Zeit im Holz, vorausgesetzt, dass dieses nicht längere Zeit mit Wasser oder anderen Lösungsmitteln ausgelaugt wird.
Man hat versucht, bei den Verfahren, in denen das Holz mit Polyalkoholen stabilisiert wird, die Zellgewebe und die Zellhohlräume des Holzes vollständig mit Polyalkohol zu füllen, um darin enthaltenes Wasser sowie Luft zu ersetzen und auf diese Art auch eine Art chemische Bindung des Polyalkohols zum Holz zu erzielen.
Dabei müssen viel grössere Mengen an Polyalkohol absorbiert werden, als es zur Konservierung von Holz mit einem Konservierungsmittel notwendig ist. Bei der Stabilisierung mit Polyalkoholen sollte die absorbierte Polyalkoholmenge bei etwa 40 Gew.% des trockenen Holzes zur Erzielung einer annehmbaren Stabilisierung liegen, während beim Konservieren von Holz mit einem Tränksalz eine Menge von etwa 1 Gew.S des trockenen Holzes ausreicht. Daher wurde die Stabilisierung mit Polyalkoholen nur auf einigen besonderen Gebieten als wirtschaftlich angesehen.
Die beim Stabilisieren von Holz mit Polyalkoholen angewendeten Verfahren sind einmal das zeitraubende Tauchverfahren und zum anderen ein kombiniertes Vakuum-Druck-Verfahren mit verlängerter Absorptionszeit wegen der Molekülgrösse des Polyalkohols; dieser wird vom Holz viel langsamer absorbiert als sehr verdünnte Lösungen von Konservierungsmitteln. Ausser einem hohen Verbrauch an Stabilisiermittel hat dieses Verfahren noch andere schwerwiegende Nachteile. Es wurde hauptsächlich in der Praxis gefunden, dass der Polyalkohol eine ausgeprägte Neigung besitzt, während des Trocknens nach dem Imprägnieren zu wandern und sich in den äusseren Schichten des Holzes zu konzentrieren. Daher verteilt sich der Polyalkohol ungleichmässig im Holz, so dass die äusseren Anteile höhere Polyalkoholkonzentrationen und Stabilisierungsgrade als die inneren Anteile aufweisen.
Diese Wanderung ist so stark, dass es bisher unmöglich war, Druckimprägnierverfahren mit Polyalkoholen auf solche Holz erzeugnisse anzuwenden, die nach dem Trocknen in kleinere Teile geschnitten werden müssen. Beispielsweise wurde gefunden, dass nach dem Vollimprägnieren eines Balkens (1 m x 5 cm x 5 cm) mit Polyäthylenglycol, nachfolgendem Trocknen und Zerschneiden in zwei Teile mit den Abmessungen 1 m x 2,5 cm x 5 cm diese Teile nach kurzzeitigem Lufttrocknen sich derart verwerfen, dass sie unbrauchbar sind, was auf der Tatsache beruht, dass das Holz in äusseren Bereichen vollständig stabilisiert ist, die frisch geschnittenen Oberflächen jedoch nicht den gleichen Grad an Stabilisierung aufweisen. Dieses Problem ist naturgemäss schwerwie- gender im Falle von Holzerzeugnissen grösserer Länge.
Nach dem Zerschneiden ändert das Holz sein Volumen gemäss Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen der
Luft und zieht sich demgemäss dort zusammen, wo we nig Äthylenglycol vorhanden ist, während die Bereiche, welche vollständig stabilisiert sind, in gequollenem Zu stande verbleiben. Bei unzerschnittenen Holzgegenstän den tritt kein Verwerfen auf, da der Polyalkohol sym metrisch um die Mittellinie des Gegenstandes verteilt ist, obschon ein Konzentrationsgefälle, vom Mittelpunkt ausgehend, besteht. Wenn jedoch die Oberfläche eines solchen Gegenstandes bearbeitet wird, stellen sich an dere Nachteile ein, nicht nur im praktischen Sinne, son dern auch im wirtschaftlichen.
Weil der Polyalkohol in
Oberflächennähe des Gegenstandes konzentriert ist, tre ten starke Verluste dieses Mittels bei der Bearbeitung der Oberfläche des Gegenstandes auf, da man einen beträchtlichen Anteil des Imprägniermittels in den ent stehenden Holzspänen verliert.
Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt die er wähnten Nachteile. Mit dem Verfahren wird eine Holz stabilisierung mit Polyalkohol erreicht, wobei man eine beträchtlich geringere Menge an Polyalkohol anwendet, als bisher möglich war während gleichzeitig der Stabili sierungsgrad verbessert wird, eine Wanderung vollstän dig unterbunden und die Imprägnierzeit verkürzt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Tränkung dicker
Gegenstände aus Cellulosematerial, insbesondere Holz oder Holzerzeugnisse, mit einem Feuchtigkeitsgehalt bis zu 80 %, vorzugsweise 5-30 sO, mit Tränklösungen, die wasserlösliche Polyalkohole, deren Alkyläther oder deren Ester mit Fettsäuren, welche 1-8 C-Atome aufweisen, in Konzentrationen von 30-80 Gew.% enthalten, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Cellulosematerial in einer ersten Stufe einem Gasdruck von 1,2-15 Atmosphären, vorzugsweise 2-6 Atmosphären, mindestens 2 Minuten lang ausgesetzt wird, dass das Material unter diesem Druck mit einer Lösung des Polyalkohols, seinem Äther oder Ester umgeben wird, dass der Druck dann in einer zweiten Stufe um 1 bis 20 Atmosphären, vorzugsweise 5-15 Atmosphären, erhöht und so lange aufrechterhalten wird, bis das Material vollständig imprägniert ist,
dass der Druck dann aufgehoben wird, vorzugsweise auf Atmosphärendruck oder darunter, und dass nicht absorbierte Imprägnierlösung entfernt wird.
Das behandelte Material kann, wenn nötig, getrocknet werden, so dass man ein dimensionsstabiles Material erhält, bei dem der gesamte Polyalkohol, sein Ester oder Äther in den Zellwänden des behandelten Cellulosematerials homogen verteilt ist.
Das Tränkverfahren umfasst zwei oder mehr Druckbehandlungen zum Zwecke der Zugabe und Bindung des Polyalkohols im Zellgewebe, und der Druck wird je nach Konzentration der Tränklösung so eingestellt, dass der Polyalkohol im Zellgewebe absorbiert wird. Im Verlauf der ersten Druckbehandlung, worin das Cellulosematerial einem Gasdruck von 1,2-15 Atmosphären unterworfen wird, wird das Luftvolumen in den Zellhohlräumen und -kapillaren stark vergrössert. Durch Beibehaltung des Überdruckes, wenn die nachfolgende Imprägnierung bei einem erhöhten Druck von 2-20 Atmosphären ausgeführt wird, wird das Eindringen der Polyalkoholmoleküle, die im Vergleich zu Wasser sehr gross sind, sehr erleichtert, ohne dass sich die Hohlräume der Zellen vollständig mit Flüssigkeit füllen.
Anstelle stark verdünnter Lösungen, wie sie bei Salzimprägnierverfahren angewandt werden, verwendet man hier eine konzentrierte Lösung, die 30-80 Gew.% Polyalkohol enthält. Das im Holz chemisch gebundene Wasser wird als Teillösungsmittel des Polyalkohols neutralisiert, wodurch die nachfolgende Trocknung verkürzt wird. Obwohl der grösste Teil des Polyalkohols bei der zweiten Druckbehandlung im chemisch gebundenen Wasser des Zellgewebes gelöst wird, ist seine Verteilung zu diesem Zeitpunkt noch zu ungleichmässig, um eine wirksame Stabilisierung zu erhalten. Erst wenn der hohe Druck aufgehoben wird, dehnt sich die Luft in den Zellhohlräumen aus, der Polyalkohol wird homogenisiert und vollständig im chemisch gebundenen Wasser der Zellwände gebunden.
Dabei wird in den Zellwänden anstelle von Wasser ein Gemisch aus Polyalkohol und Wasser gebunden, und da der Unterschied zwischen dem Siedepunkt von Wasser und demjenigen des Polyalkohols sehr gross ist, kann man das Wasser bei der nachfolgenden Trocknung verdampfen, ohne dass Polyalkohol durch den Dampf mitgerissen und an der Oberfläche des Cellulosematerials konzentriert wird. Im Gegensatz zu den konventionellen Konservierungsmitteln (Salze, Kreosotöl) ist der Polyalkohol in der Lage, eine Art chemische Verbindung mit dem Zellgewebe einzugehen, wodurch das Holz nach der Druckimprägnierung und der Trocknung in gequollenem Zustand verbleibt. In manchen Fällen ist es möglich, das Kernholz der Fichte nach diesem Verfahren zu imprägnieren, was bisher als unmöglich angesehen wurde. Diese überraschenden Resultate können nicht vollständig erklärt werden.
Es ist jedoch wahrscheinlich, dass beim erfindungsgemässen Verfahren eine zumindest zeitweilige Expansion der Zellhohlräume und der Zellkapillaren auftritt, wodurch möglicherweise das Eindringen und die Verteilung des Polyalkohols im Holz erleichtert wird.
Die untenstehende Tabelle I erläutert die oben erwähnten Faktoren der Verteilung von Polyalkohol bei der üblichen Druckimprägnierung des Holzes. Bei den Versuchen, die in der Tabelle aufgeführt sind, wurden Buchenholzkloben mit einem Querschnitt von 5 x 5 cm und einer Länge von 50 cm verwendet. Die Buchenkloben wurden in einem Autoklav mit wässrigen Lösungen von Polyäthylenglycol mit Molekulargewichten von 1500, 4000 und 6000 (PEG 1500, PEG 4000 und PEG 6000) unter Druck imprägniert, wobei das Holz zuerst einem Unterdruck von 0,1 Atmosphären ausgesetzt wurde, welcher 30 Minuten lang aufrechterhalten wurde. Die Polyäthylenglycollösung wurde dabei in das Holz eingesaugt, wonach ein Überdruck von 8 Atmosphären 3 Stunden lang aufgepresst wurde. Nach der Entfernung des Überschusses der Lösung aus dem Autoklav wurde 15 Minuten lang ein Unterdruck von 0,1 Atmosphären angelegt.
Die Holzkloben wurden dem Autoklav entnommen, ein Teil davon auf aufgenommene PEG-Mengen analysiert und in einem Trockner 5 Tage lang bei 600 C getrocknet. Nach Beendigung der Trocknung wurden 5 mm dicke Scheiben von den Kloben geschnitten, und zwar in der Mitte zwischen den Enden. Die Holzscheiben wurden auf absorbierte Poly äthylenglycolmengen untersucht. Bei der Analyse wurde der Polyäthylenglycolgehalt in den äusseren Bereichen der Muster, d. h. eine äussere, 1 cm breite Schicht, sowohl im inneren, d. h. die 3 x 3 cm messende Quadratfläche im Zentrum der Probe, sowie der durchschnittliche Polyäthylenglycolgehalt der gesamten Probe gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle I niedergelegt.
In der Tabelle benutzte Bezeichnungen: Ys = Ergebnisse des äusseren Bereiches
Cs = Ergebnisse des inneren Bereiches Ts = Mittelwerte über den gesamten Querschnitt (Ys+Cs)
Tabelle l
Ursprünglicher Wassergehalt PEG-Konzentration PEG-Analyse, %, bezogen des Holzes in der Tränklösung auf Holztrockengewicht
Unmittelbar nach
Druckimprägnierung Nach Trocknung Ts Cs Ys Ts Cs Y5 Tränkflüssigkeit: PEG 1500
54 20 14 10 12 10 1 13 Tränkfiüssigkeit: PEG 4000
29 10 6 16 6 7 4 7
41 26 14 13 14 10 4 11
28 m 16 18 16 14 8 17
34 30 25 25 24 25 20 27 Tränkflüssigkeit:
PEG 6000
26 30 22 23 23 23 14 25
Aus der Tabelle geht hervor, dass schon nach der Druckimprägnierung ein Unterschied im Polyäthylenglycolgehalt der äusseren Schicht und der inneren Schicht zu beobachten ist. Weiterhin tritt eine starke Wanderung des Polyäthylenglycols während der Trocknung vom Inneren des Mustern nach den äusseren Schichten hin ein. In manchen Fällen ist die Menge an Polyäthylenglycol 13mal grösser an der Oberfläche des Holzes als in seinen inneren Bereichen, was durchaus unbefriedigend ist.
Es ist klar, dass dieses Verfahren, obwohl es bei der Konservierung üblich ist, bei der Imprägnierung schwerer Holzgegenstände mit einem Dimensionsstabilisiermittel nicht verwendet werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann zur Stabilisierung aller Holzarten, beispielsweise Fichte, Buche, Birke, Eiche, Ahorn, Lärche, Erle, Zeder, Mahagoni und in manchen Fällen auch Tanne, dienen. Man kann Holz in jeder Form behandeln, beispielsweise Rundholz mit und ohne Rinde, Bretter, Furniere usw. Besonders vorteilhafte Anwendung findet das Verfahren auf schwere Gegenstände aus Holz, dicker als 2,5 cm, insbesondere dicker als 5 cm, auf Grund der Tatsache, dass nach dem Imprägnieren und Trocknen keine Wanderung stattfindet. Überraschenderweise wurde weiterhin gefunden, dass es praktisch möglich ist, das Holz unmittelbar nach der Imprägnierung zu trocknen oder auch nach langer Lagerung, nach verschiedenen und verglichen mit unbehandeltem Holz sehr unkomplizierten Trockenverfahren, ohne irgendwelche Wanderung des Polyalkohols im Holz.
Weiterhin ist überraschend, dass bei der Imprägnierung nur eine sehr begrenzte Menge Wasser notwendig ist wegen der bedeutend höheren Konzentration an Polyalkohol in der Tränkflüssigkeit, was bisher nicht möglich war. Dadurch wird das nachfolgende Trocknen erleichtert und verkürzt und kann in manchen Fällen sogar ganz wegfallen.
Wenn beispielsweise das zu tränkende Holz einen Wassergehalt von 15 % aufweist und die Tränklösung 30 % Wasser und 70 % PEG enthält, übersteigt der Wassergehalt des imprägnierten Holzes, wenn 20 % PEG absorbiert sind, nicht den Wert von 24 %. Um bei den bekannten Vollimprägnierverfahren denselben Absorptionsgrad an PEG, d. h. 20%, zu erhalten, muss man eine Tränklösung aus 80 % Wasser und 20 % PEG verwenden. Der Wassergehalt des imprägnierten Holzes übersteigt damit gewöhnlich 90 %, d. h. nach dem Im prägnieren enthält das Holz 3 bis 4mal mehr Wasser als nach dem Imprägnieren gemäss der vorliegenden Erfindung und muss daher in einem besonderen Verfahrensschritt getrocknet werden.
Gemäss einer Ausführungsart des Verfahrens, wobei das imprägnierte, ungetrocknete Holz einen sehr niedrigen Wassergehalt, verglichen mit bekannten Tränkverfahren zwecks Konservierung, aufweist, ist es überraschenderweise möglich, auf die Zugabe eines Fungicides zur Lösung zu verzichten. Dies ist im Falle bekannter Tränkverfahren unter Verwendung von Polyalkoholen nicht möglich, ohne dass die Gefahr einer späteren Beschädigung durch Mikroorganismen besteht.
Es ist im allgemeinen ausreichend, das Imprägnierverfahren nur einmal auszuführen, jedoch kann es in manchen Fällen günstig sein, insbesondere im Falle schwierig zu imprägnierender Holzarten, das Verfahren einmal oder zweimal zu wiederholen.
Im allgemeinen hält man die Tränklösung bei Zimmertemperatur. Manchmal, beispielsweise im Falle von Hölzern, die stark getrocknet werden müssen oder schwierig zu tränken sind, führt man zweckmässig das Imprägnierverfahren bei erhöhten Temperaturen aus, beispielsweise 30-1000 C, insbesondere 60-800 C, so dass die niedrigere Viskosität der Tränklösung bei diesen Temperaturen ihr Eindringen in das Holz erleichtert.
Die Konzentration der Polyalkohole in der Tränklösung sollte normalerweise mindestens 40 % betragen, damit eine genügende Menge dieses Stoffes absorbiert wird und im Holz nach der Trocknung ohne Wanderung verbleibt, jedoch ist es natürlich möglich, niedrigere Konzentrationen anzuwenden, beispielsweise bis hinunter zu 30 %, um bestimmte besondere Effekte zu erzielen, zum Beispiel wenn es erwünscht ist, nur eine begrenzte Stabilisierung der Dimensionen des Holzes zu erhalten.
Die Polyalkohole, die erfindungsgemäss verwendet werden können, besitzen die allgemeine Formel
EMI5.1
worin R ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe oder eine Acylgruppe mit 1-8 C-Atomen, R1, R, Rs und R4 Wasserstoffatome oder Niederalkylgruppen und n eine ganze Zahl zwischen 1 und 1000 ist. Demgemäss werden erfindungsgemäss auch Niederalkyläther und Ester niederer Fettsäuren (1-8 C-Atome) dieser Polyalkohole verwendet.
Beispiele solcher Polyalkohole sind: Athylenglycol, Diäthylenglycol, Triäthylenglycol, Polyäthylenglycole mit Molekulargewichten oberhalb 200. Erfindungsgemäss besitzen die am besten geeigneten Polyäthylenglycole Molekulargewichte zwischen 1000 und 10 000, vorzugsweise zwischen 1500 und 6000. Weitere Beispiele von verwendbaren Polyalkoholen sind Propylenglycol, Dipropylenglycol, Tripropylenglycol und Polypropylenglycol. weiterhin Glycerin. Beispiele für Ather sind Di äthyl englycol-mono äthylenäther,
Diäthylenglycol-monopropylenäther,
Diäthylenmonobutyläther,
Polyäthylenglycol-monomethyläther, Polyäthylenglycol-monoäthylenäther,
Polyäthylenglycol-monopropyläther,
Polyäthylenglycol-monobutyläther und entsprechende Äther auf der Basis von Propylenglycol.
Geeignete Ester sind die Formiate, Acetate, Propionate, Butyrate und Valerate der oben genannten Polyalkohole.
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung von Gemischen verschiedener Polyalkohole und Ather oder Ester, beispielsweise Copolymere unterschiedlicher Alkylenoxide, z. B. aus Äthylenoxid und Propylenoxid, d. h. sogenannte gemischte Polyole.
Gemäss einer Ausführungsart der Erfindung enthält die Tränklösung eine beinahe gesättigte wässrige Lösung eines festen Polyäthylenglycols, beispielsweise eine 60 S; ige Lösung von PEG 4000, welche mit einer; Tränktemperatur von 200 C verwendet wird. Bei höheren Tränktemperaturen können höhere Konzentrationen von PEG 4000 verwendet werden oder altenativ ein Polyäthylenglycol mit einem höheren Molekulargewicht.
Der Vorteil der Verwendung einer beinahe gesättigten wässrigen Lösung ist erstens, dass man eine beträchtlich geringere Wassermenge in das Holz bringt und dass schon eine sehr geringe Verdampfung des Wassers im imprägnierten Holz das Auskristallisieren des Polyalkohols verursacht. Diese Kristallisierung kann schon während einer nachfolgenden Vakuum anwendung stattfinden, und im Falle eines solchen Vorgehens ist das Risiko einer Wanderung ausgeschlossen, und da das Holz in diesem Falle nur eine sehr geringe Menge an Wasser enthält braucht es nicht getrocknet zu werden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsart der Erfindung können gleichzeitig verschiedene Zusätze der Tränklösung zugegeben werden, um die Anforderungen des Verbrauchers an das dimensionsstabilisierte Holz zu erfüllen. Beispielsweise kann man Feuerschutzmittel, Fungicide, Insecticide und - Farbstoffe zugeben. Da die Polyalkohole in Wasser löslich sind, kann es manchmal zweckmässig sein, ihre Retention im Holz zu verbessern und ein Auslaugen durch Wasser aus dem Holzerzeugnis während des Gebrauches zu verhindern. Zu diesem Zweck ist es erfindungsgemäss möglich, den Polyalkohol in der Tränklösung mit polymeren thermoplastischen Verbindungen, beispielsweise Ammoniumpolyacrylat oder Natriumpolyacrylat, zu vereinigen.
Zum gleichen Zweck kann auch eine polymere chemische Verbindung welche zu den wärmehärtbaren Harzen gehört, beispielsweise ein Harnstoff-Formaldehyd-, Melamin Formaldehyd- oder Phenol-Formaldehyd-Harz, zugesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit, die Retention des Polyalkohols im Holz zu verbessern, ist die Zugabe einer polymerisierbaren chemischen Verbindung als Monomer oder Vorpolymerisat zur Imprägnierlösung, welche Verbindung nach dem Imprägnieren in situ durch radioaktive Strahlung, beispielsweise Gammastrahlung des Cobalt-6O, polymerisiert werden kann.
Zur Verbesserung des Eindringens der Tränklösung bei der Behandlung schwierig zu tränkender Holzarten kann der Polyalkohol auch mit einem anionischen, kat ionischen oder nichtionischen oberflächenaktiven Mittel kombiniert werden. Beispiele von organischen Lösungsmitteln, die erfindungsgemäss verwendet werden können, sind Methylalkohol, Äthylalkohol, Aceton, Methylglycol, Methyldiglycol, Äthyi glycol, Äthyldiglycol, Butylglycol und Butyldiglycol.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele erklärt:
Beispiel 1
2 Buchenkloben, 500 mm lang und mit einem Querschnitt von 43 x 43 mm, mit Al und B1 bezeichnet, wurden erfindungsgemäss mit einer wässrigen 60 gew.%igen Lösung von PEG 1500 folgendermassen imprägniert:
Die Buchenkloben wurden aufrecht in einen Hofer Autoklav eingesetzt und 30 Minuten lang unter einen Luftdruck von 5,5 Atmosphären gesetzt. Unter Aufrechterhaltung des Druckes wurde eine 60 % ige wässrige Lösung von PEG 1500 in den Autoklav gebracht, und nach Füllung des Autoklavs wurde der Druck auf 16 atü erhöht. Dabei wurde die Temperatur der Tränklösung auf etwa 200 C gehalten.
Man liess den Druck 2 Stunden lang einwirken, wonach er abgelassen und die Tränklösung aus dem Autoklav entfernt wurde, wonach man ein Vakuum von 0,1 atm 15 Minuten lang anlegte.
Zum Vergleich wurde ein 500 mm langer Buchenkloben Bo aus dem gleichen Holz wie B1 nach der bekannten Vollimprägnierungsmethode mit einer 20 %igen wässrigen Lösung von PEG 1500 imprägniert (Vakuum 1 Stunde, Druck 2 Stunden, Vakuum 15 Minuten).
Imprägnierwerte: Ursprünglicher Wassergehalt Absorbierte Menge an PEG 1500 Al = 11,8 % A1 = 14,3% B1 = 14,1% B1 = 25,2% B2 = 14,1 % (Vollimprägnierung) B2 = 21,5 % (Vollimprägnierung)
Analyse bezüglich der Verteilung von PEG in verschiedenen Querschnitten in Längsrichtung der Probe, zuerst in der äusseren Schicht, danach in den mittleren Bereichen.
Der 500 mm lange Kloben A1 wurde nach der Imprägnierung in zwei Stücke von je 250 mm zerschnitten, AOT und AT. Die folgende Skizze zeigt die Stellen der Probenahme: Schnittnumerierung Oberfläche Oberfläche Mitte 4 3 2 1 5 6 7 8 Mitte Oberfläche Oberfläche
Der Abstand zwischen den Schnitten betrug etwa 60 mm. Teil A0T wurde sofort nach der Imprägnierung und Teil AT wurde nach der Imprägnierung und Trocknung analysiert. Die Analysenresultate sind in untenstehender Tabelle II angegeben.
Tabelle II
PEG-Analyse, % PEG, bezogen auf Holzkloben Schnitt Nr. Trockengewicht des Holzes
Oberfläche Mitte Gesamtschnitt AOT 1 14,4 15,6 16,5 (ungetrocknet) 2 15,2 116,3 14,9
3 14ei6 14,4 15,2
4 14,4 13,5 13,9 Mittel 14,6 14,9 15,1 AT 5 15,1 17,3 15,2 (getrocknet) 6 20,6 17,8 16,4
7 14,9 15,1 15,0
8 16,0 14,9 15,0 Mittel 1,6,6 16,3 15,4
Die Menge an absorbierter Lösung, ermittelt durch Wägung vor und nach der Imprägnienung, betrug 14,3 % PEG 1500.
Der Holzkloben B1, 500 mm lang, vom selben 1000 mm langen Holz wie B-, jedoch erfindungsgemäss imprägniert, wurde folgendermassen zerschnitten: Schnittnurnerierung OberfLäche Oberfläche Mitte 5 3 2 1 4 Mitte Oberfläche Oberfläche
Die Änalysenresultate sind in Tabelle III aufgeführt.
Tabelle III Schnitt Nr. PEG-1500-Analyse, % des Bemerkungen
Holztrockengewichtes
Oberfläche Mitte Gesamtschnitt
1 24,8 20,4 24,1 7 Tage nach Trocknung
2 22,9 21,9 21,4 Sofort nach Trocknung
3 20,2 18,5 - 10 Tage nach Trocknung
4 21,7 25,5 25,3 23 Tage nach Trocknung
5 20,2 17,4 - 10 Tage nach Trocknung
Mittel 22,0 20,7 23,6
Die Menge an absorbierter Lösung, ermittelt durch das Gewicht vor und nach der Imprägnierung, betrug 25,2%.
Der Holzkloben B2., 500 mm lang, vom gleichen Holzstück des Klobens B1, jedoch imprägniert nach dem Vollimprägnienerfiahren, wurde wie folgt zerschnitten:
Schnittnumerierung Oberfläche Oberfläche Mitte 3 1 2 Mitte Oberfläche Oberfläche
Die Analysenergebnisse sind in Tabelle IV wiedergegeben.
Tabelle IV Schnitt Nr. Analyse nach Trocknung PEG-1500-Analyse, Bemerkungen % des Holztrockengewichtes
Oberfläche Mitte Gesamtschnitt 1 27,0 12,6 25,5
2 23,3 11,1 211,0 23 Tage nach Trocknung
3 24,1 12,1 22,2 23 Tage nach Trocknung
Mittel 24,8 11,9 21,9
Die Menge an absorbierter Lösung betrug 21,5 % aus Wägungen vor und nach der Imprägnierung.
Aus den Proben AOT + AT geht hervor, dass mit der erfindungsgemässen Druckimprägnierung eine gleichförmige Verteilung von PEG in der Längsrichtung des Holzes erhalten wird.
Die Lösung wandert nicht während der Trocknung des Holzes, da der Gehalt an PEG an der Oberfläche und in der Mitte etwa der gleiche ist, sogar beim Vergleich mit dem Gesamtschnitt.
Aus den Proben B1 und B2 lässt sich folgendes ableiten: Beim erfindungsgemässen Imprägnieren wandert die Lösung nicht, während bei der Vollimprägnierung die Lösung im gleichen Holz wandert. Beim erfindungsgemässen Imprägnieren benötigt man eine PEG-Konzentration von 60 Gew.% in der Tränklösung, um einen PEG-Gehalt im Holz von 25,2 % zu erreichen. Im Falle der Vollimprägnierung ist eine PEG-Konzentration von 20 Gew.% nötig zur Erzielung eines PEG Gehaltes von 21,5 %.
Beispiel 2
Die Änderung des Wassergehaltes beim Trocknen und die Ergebnisse der Trockenversuche, ausgeführt bei Temperaturen von 40-600 C, wurden an den Proben B1 und B2 gemäss Beispiel 1 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengefasst.
Aus dieser Tabelle kann man erkennen, dass der Wassergehalt unmittebar nach der Imprägnierung und vor der Trocknung beim Volltränkverfahren (B2) dreimal höher ist als beim erfindungsgemässen Verfahren (B1). Nach sechstägiger Trocknung hatte Probe B2 noch einen Wassergehalt, der das Dreifache desjenigen der Probe B1 betrug und noch über dem Wassergehalt von B1 vor dem Trocknen lag. Da das Trocknen von Holz eine teure Angelegenheit ist, gehen aus diesen Werten die grossen wirtschaftlichen Vorteile der Holzstabilisierung gemäss vorliegender Erfindung sehr deutlich hervor.
Tabelle V
Trockenzeit Buchenkloben B1 Buchenkloben B2 beiSO0C, erfindungsgemkss vollimprägniert getränkt
Tage Wassergehalt, % Wassergehalt, %
0 30 100
1 23 70
2 18 55
3 15 48
4 13 43
5 11 38
6 110 33
Beispiel 3
3 Buchenkloben mit einer Länge von 1000 mm, bezeichnet mit C1, G2 und CO, wurden erfindungsgemäss mit einer 60 % igen wässrigen Lösung von PEG 1500 imprägniert, die 0,4 % des oberflächenaktiven Mittels Berol Sulfanate 62 enthielt:
Die Buchenkloben wurden aufrecht in einen 70 1 fassenden Autoklav gebracht und 30 Minuten lang einem Luftdruck von 4 Atmosphären ausgesetzt. Unter Aufrechterhaltung dieses Druckes wurde die 60 % ige wässrige Lösung von PEG 1500 zugegeben.
Nach Füllung des Autoklavs wurde der Druck auf 15 Atmosphären erhöht. Während der ganzen Zeit wurde die Temperatur der Tränklösung auf 700 C gehalten. Der Flüssigkeitsdruck wurde 2 Stunden lang aufrechterhalten, danach wurde die überschüssige Imprägnierlösung herausgedrückt, und schliesslich wurde 45 Minuten lang ein Vakuum von 0,1 atm angelegt.
Tabelle Vl Imprägnierergebnisse Buchenkloben Ursprünglicher Absorbierte
Wassergehalt, % PEG-Menge
C1 13 28 C2 11 23 C3 15 28
Trocknung
Die Buchenkloben wurden bei Temperaturen zwischen 50 und 700 C 5 Tage lang getrocknet.
Der Wassergehalt nach dem Trocknen war folgender:
Buchenkloben Wassergehalt, % cl 8
C2 3 ci 7
Tabelle VII
Verteilungsanalyse des PEG im Mittelteil des Holzes(500 mm von jedem Ende)
Oberfläche Mitte Gesamtquerschnitt
Kloben % PEG % PEG % PEG
Vor Nach Vor Nach Vor Nach
Trocknung Trocknung Trocknung Trocknung Trocknung Trocknung CI 27,5 27,7 23,2 22,2 2+6,6 27,0 ci 25,3 24,5 2D,4 20,6 22,7 22,2 ci 29,5 28,3 24,2 21,0 27,2 25,7
Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, erhielt man eine vollständige Durchtränkung, und es konnte keine Wanderung des Stabilisiermittels während der Trocknung beobachtet werden.
Beispiel 4 Fichtenholz (Splint) mit den Querschnittsmassen 2,5 x 12,5 cm wurde zwecks Stabilisierung mit inerter Lösung getränkt, die aus
30 Gew.% Polyäthylenglycol 4000,
10 Gew.% Polypropylenglycol 400,
60 Gew.% Wasser bestand.
Das Holz wurde in den Imprägnierautoklav gebracht und zuerst 30 Minuten lang einem Luftdruck von 7 atü unterworfen. Unter diesem Druck wurde die Imprägnierlösung mit einer Temperatur von 800 C in den Autoklav gebracht. Nach - Füllung des Autoklavs wurde der Druck auf 20 Atmosphären erhöht und 2 Stunden lang aufrechterhalten. Dann wurde die Tränklösung unter Ablassen des Druckes auf Atmosphärendruck abgepumpt. Daraufhin wurde ein Vakuum von 0,1 atm 30 Minuten zur Entfernung überschüssiger Tränklösung angelegt. Der Absorptionsgrad des Imprägniermittels im Holz, berechnet als 100 S iges Gemisch aus Polyäthylenglycol 4000 + Polypropylenglycol 400, betrug im Mittel 22 Gew.%', berechnet auf trockenes Holz.
Nach dem Trocknen des Holzes wurde gefunden, dass die Schrumpfungs- und Quellungseigenschaften dieses Holzes unter verschiedenen Feuchtigkeiten und Temperaturen sehr stark vermindert waren.
Das Imprägniermittel zeigt keine Neigung zum Wandern.
Beispiel 5 Birkenholz mit einem Querschnitt von 3,75 x 10 cm wurde zur Dimensionsstabilisierung mit folgender Lösung imprägniert:
10 Gew.% Polyäthylenglycol 6000,
30 Gew.% Polyäthylenglycol 1500,
10 Gew.% Polyäthylenglycol 1000,
50 Gew.% Wasser.
Nach Einbringen des Holzes in den Tränkautoklav wurde zuerst ein Luftdruck von 5 atü 20 Minuten lang angelegt. Unter diesem Druck wurde die Imprägnierlösung mit einer Temperatur von 850 C in den Autoklav gepumpt. Nach Füllung des Autoklavs wurde der Druck auf 17 Atmosphären erhöht und 3 Stunden lang aufrechterhalten.
Sodann wurde die Tränklösung abgepumpt, während man den Druck auf Atmosphärendruck kommen liess. Zur Entfernung des unnötigen Überschusses an Tränklösung wurde ein Vakuum von 0,05 atm angelegt und 14 Stunden lang zwecks Nachtrocknung des Holzes aufrechterhalten. Die absorbierte Menge an Imprägniermittel, berechnet als 100%ges Gemisch aus Poly äthylenglycolen, war im Mittel 26 Gew.%, berechnet auf vollständig trockenes Holz. Es wurde gefunden, dass das Holz nach der Endtrocknung sehr stabil war und dass der Polyalkohol keine Neigung zum Wandern zeigte.
Alle oben erwähnten Wassergehalte des Holzes stellen den 100fachen Wert des Feuchtigkeitsquotienten dar.