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Die
Erfindung bezieht sich auf Behandlungen von Holz mit einem Trägerfluid
unter Hochdruckbedingungen, insbesondere unter superkritischen Bedingungen.
Inbesondere betrifft die Erfindung Maßnahmen und Verfahrensweisen,
die zu ergreifen sind, um das Holz während der Behandlung mit einem
superkritischen Fluid, insbesondere Kohlendioxid, vor Beschädigungen
zu schützen.
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Stand der
Technik
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In
Holzbehandlungsprozessen für
Imprägnations- oder Extraktionszwecke
werden in verstärktem Maße Trägerfluide
unter hohem Druck, wie unter superkritischem Druck, eingesetzt.
Hochdruck-Fluide ähneln in
ihren Eigenschaften teilweise sowohl Gasen als auch Flüssigkeiten.
Die superkritischen Fluide ähneln
also Gasen in ihren Penetrationseigenschaften, während sie in ihren Solubilisierungseigenschaften
Flüssigkeiten ähnlich sind.
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Kohlendioxid
ist als chemische Verbindung sehr attraktiv für den Einsatz als superkritisches
Medium zur Holzbehandlung, da es einen geeigneten kritischen Punkt
(31°C, 73
bar), eine geringe chemische Reaktivität und eine geringe Toxizität aufweist.
Ferner ist Kohlendioxid in großen
Mengen zu relativ niedrigen Kosten verfügbar.
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Ein
Artikel von Morrell und Levien mit dem Titel „Development of New Treatment
Processes for Wood Protection" (Entwicklung
neuer Holzschutzbehandlungsverfahren), Konferenzbericht von der „Conference
on Wood Preservation in the '90s
and Beyond" (Konferenz über die
Holzkonservierung in den 90er Jahren und darüber hinaus), Savannah, Georgia,
USA, 26.–28.
September 1994, behandelt die Imprägnierung von gewöhnlich imprägnierfesten
Holzarten unter Verwendung von superkritischem Kohlendioxid zur
Zuführung
und Ablagerung von Biozid in das Holz. In dem Artikel werden Experimente
beschrieben, in denen Holzproben mit einer Größe von 100 mm bzw. darunter
verwendet werden.
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US 5,364,475 beschreibt
ein Verfahren zur Entfernung chemischer Konservierungsstoffe durch
Extraktion mit superkritischem Kohlendioxid als Extraktionsmedium
und Holzproben mit einer Größe von 10 × 50 mm.
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WO
00/27601 legt eine Imprägnierung
von Holz mit superkritischem Kohlendioxid offen, bei der der Druck
nach der Behandlung pulsierend abgebaut wird, um das Austreten von
Harz an der Holzoberfläche
zu vermeiden bzw. zu vermindern.
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In
der Literatur finden sich verschiedene Berichte über die Änderung von mechanischen Eigenschaften
bei Holzproben, die unter superkritischen Bedingungen behandelt
wurden.
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In
Anderson et al. 2000, Forest Products Journal, 50:85–93 wird
eine Beeinträchtigung
der mechanischen Eigenschaften durch die superkritische Behandlung
beschrieben. Rotzeder zeigt eine Verminderung von bis zu 23,1% bei
der Bruchfestigkeit (Bruchmodul) und eine Verminderung von bis zu
13,7 beim Elastizitätsmodul.
Ferner wird beschrieben, dass einige Proben gravierende Behandlungsdefekte
aufwiesen und in Hunderte von langen dünnen Stäben aufgespaltet waren. Außerdem wurde
zwischen der Probengröße und den
Holzschäden
eine Beziehung festgestellt, derzufolge größere Proben mehr beschädigt wurden
als kleinere Proben. Die beobachteten Schäden wurden vermeintlich durch
Druckgradienten im Holz verursacht.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Verfahrens für
die Behandlung von schadensanfälligem
Holz unter Hochdruckbedingungen, wie unter superkritischen Bedingungen,
bei dem Schäden
vermieden bzw. vermindert werden. Die Länge des behandelten Holzes übersteigt
dabei eine kritische Länge.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht ein Gegenstand der Erfindung in einem Verfahren,
das folgende Verfahrensschritte umfasst:
- a)
ein Gefäß wird mit
zu behandelndem Holz gefüllt;
- b) das Gefäß wird unter
Verwendung des Trägerfluids
unter Druck gesetzt, bis der Behandlungsdruck erreicht ist;
- c) eine Haltedauer, in welcher der Druck im Wesentlichen konstant
ist bzw. der Druck sich mit einer niedrigen Geschwindigkeit ändert;
- d) Absenkung des Drucks des Gefäßes auf Umgebungstemperatur,
gefolgt von der Entnahme des behandelten Holzes.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass es mit zunehmender Länge der Holzproben eine bestimmte
Länge gibt, bei
der die Schadenswirkung für
das Holz einen steilen Anstieg erfährt. Diese Länge wird
in der vorliegenden Beschreibung als kritische Länge definiert.
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Der
Gegenstand der Erfindung wird durch ein Hochdruck-Behandlungsverfahren
erreicht, bei dem an keinem Ort und zu keiner Zeit des Verfahrens
zugelassen wird, dass das Fluid in die Flüssigphase übertritt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Verfahren so durchgeführt,
dass die Temperatur des zu behandelnden Holzes während der Druckbeaufschlagung
des Gefäßes, in
dem die Behandlung stattfinden soll, die Plastifizierungstemperatur
des Holzes nicht übersteigt.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird das Verfahren so durchgeführt,
dass die Temperatur des zu behandelnden Holzes während der Druckbeaufschlagung
und der Druckentlastung des Behandlungsgefäßes die Plastifizierungstemperatur
des Holzes nicht übersteigt.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für Hochdruckbehandlungen, insbesondere
superkritische Behandlungen geeignete Fluide in flüssiger Form
eine erheblich geringere Penetration aufweisen als im gasförmigen oder
superkritischen Zustand, und dass demzufolge ein solches Fluid in
flüssiger
Form im Holz eingeschlossen werden und die Bildung übergroßer Druckgradienten
verursachen kann, was zu Holzschäden führen kann.
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Alternativ
dazu kann eine kondensierte Flüssigkeit
eine erhebliche Volumenänderung
erfahren, wenn die Temperatur während
des Druckzyklus nachträglich
erhöht
wird. Dies kann auch erhebliche Druckgradienten verursachen und
zur Beschädigung
führen.
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Ferner
wurde erkannt, dass das Holz, wenn die Holztemperatur die Plastifizierungstemperatur überschreitet,
selbst bei geringfügigen
Druckgradienten für
Schäden
anfällig
wird.
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Somit
besteht ein Gegenstand der Erfindung in der Bereitstellung eines
Verfahrens für
die Behandlung von Holz unter Verwendung eines Trägermediums
unter Hochdruck, insbesondere unter superkritischen Bedingungen,
bei Schadensvermeidung für
das behandelte Holz.
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In
einer Ausführungsform
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren für die Behandlung von schadensanfälligem Holz,
welches die folgenden Verfahrensschritte beinhaltet:
- a) Beschickung des Gefäßes mit
zu behandelndem Holz
- b) Druckbeaufschlagung des Gefäßes mit einem Fluid, das optional
eine gelöste
aktive Verbindung enthält, bis
der Behandlungsdruck erreicht ist
- c) Druckhaltungsphase bei im Wesentlichen konstantem Druck
- d) Druckentlastung des Gefäßes auf
Umgebungsdruck
wobei durch entsprechende Kontrolle der
Temperatur nicht zugelassen wird, dass das Fluid in flüssiger Form im
Holz vorliegt.
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Kohlendioxid
ist ein bevorzugtes Medium und erfindungsgemäß als Trägermedium einzusetzen.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Bestimmung eines geeigneten Ablaufs der Druckbeaufschlagung
und Druckentlastung für
eine Holzbehandlung.
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Ferner
bezweckt die Erfindung die Bereitstellung von Verfahren zur Druckentlastung
einer Behandlungskammer für
die Holzbehandlung durch superkritisches Kohlendioxid zur Vermeidung
von Holzschäden.
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Da
die Erfindung sich auf die Druckbeaufschlagung und Druckentlastung
des Holz enthaltenden Gefäßes richtet,
gilt sie für
jeglichen Prozess, bei dem Holz in einem Gefäß unter Verwendung eines Hochdruck-Fluids
behandelt wird, wobei die Erfindung sich insbesondere auf Imprägnier-,
Färbe-,
Trocknungs- und Extraktionsprozesse bezieht.
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In
einigen Ausführungsformen
kann durch die Erhöhung
der Temperatur über
Plastifizierungstemperatur eine erhöhte Ablagerung und/oder bessere
Anlagerung (Adhäsion)
der aktiven Verbindungen im Holz erreicht werden. Auch diese Ausführungsformen
werden als Teil der Erfindung betrachtet.
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Wichtig
ist, dass die Erhöhung
der Temperatur auf einen Wert oberhalb der Plastifizierungstemperatur zu
einem Zeitpunkt stattfindet, an dem keine steilen Druckgradienten
im Holz vorhanden sind, wie in der Druckhaltungsphase des Behandlungsprozesses.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Temperatur-Entropie-Diagramm (TS-Diagramm) für Kohlendioxid, in dem die
Grenze zwischen dem superkritischen Zustand und dem flüssigen Zustand
mit einer dicken Linie angegeben ist.
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2 zeigt
ein TS-Diagramm für
Kohlendioxid unter Anzeige von drei unterschiedlichen Druckentlastungswegen
A, B bzw. C.
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3 zeigt
ein TS-Diagramm für
Kohlendioxid mit einem bevorzugten Druckentlastungsweg.
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4 zeigt
eine Fotografie von Holzproben nach einer Behandlung unter superkritischen
Bedingungen, bei welcher der Druck des Behandlungsgefäßes ohne
Berücksichtigung
der erfindungsgemäßen Vorkehrungen
abgesenkt wurde. Die Länge
der Proben beträgt
von links nach rechts: 1,2 m, 1,0 m, 0,75 m, 0,5 m und 0,25 m.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
Behandlung von Holz unter Verwendung eines unter Hochdruck eingesetzten
Trägermediums
ist in den letzten Jahren umfangreich erforscht worden, um die Vorzüge von Hochdruck-Trägermedien
zu nutzen. Insbesondere wurden Trägermedien unter superkritischen
Bedingungen erforscht, die in ihren Penetrationseigenschaften gasähnlich und
in ihren Löslichkeitseigenschaften
flüssigkeitsähnlich sind.
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Der
Behandlungsvorgang wird gewöhnlich
in mindestens drei unterschiedliche Verfahrensschritte bzw. Betriebsphasen
unterteilt: eine Druckbeaufschlagungsphase, in welcher der Druck
im Behandlungsgefäß vom Umgebungsdruck
auf den Behandlungsdruck erhöht
wird; eine Druckhaltephase, in welcher der Druck relativ konstant
ist und die im Holz abzulagernden Verbindungen abgelagert werden;
und schließlich
eine Druckentlastungsphase, in welcher der Druck wieder auf den
Umgebungsdruck abgesenkt wird.
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Obwohl
der Druck während
der Haltephase nicht unbedingt gleichbleibend und konstant ist,
sind die Druckschwankungen und damit die Druckgradienten im Gefäß und im
Holz relativ gering gegenüber
den Druckverhältnissen
während
der Druckbeaufschlagung und der Druckentlastung.
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Obwohl
beschrieben wird, dass die Ablagerung während der Druckhaltephase stattfindet,
wird ersichtlich, dass die Ablagerung in gewissem Umfang auch während der
Beaufschlagungsphase und während
der Entlastungsphase erfolgen kann.
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In
der vorliegenden Anmeldung soll der Begriff Träger bzw. Trägermedium ein für die jeweilige
Behandlung eingesetztes Fluid in Form eines Gases bzw. im superkritischen
Zustand bedeuten. Abhängig
von der jeweiligen Verwendung dient der Träger als Lösungsmittel für die an
das Holz zu führenden
aktiven Verbindungen, soweit es sich um einen Imprägnierprozess
handelt, bzw. als Lösungsmittel
für die
aus dem Holz herauszulösenden
Verbindungen, soweit es sich um einen Extraktionsprozess handelt.
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In
Abhängigkeit
vom jeweiligen durchzuführenden
Behandlungsvorgang kann der Träger
weitere Komponenten beinhalten, wie im Holz abzulagernde aktive
Komponenten, Hilfslösungsmittel
zur besseren Lösung
der aktiven Komponenten oder zur leichteren Extraktion einzelner
Bestandsteile aus dem Holz. Der Fachmann kann weitere Komponenten
vorschlagen, die der Träger
beinhalten kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung findet die Behandlung mit dem Trägermedium unter Hochdruck statt.
Unter Hochdruck bzw. unter superkritischen Bedingungen verwendete
Träger
werden in der Literatur gelegentlich auch als dichte Gase bezeichnet.
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Obwohl
die vorliegende Beschreibung hauptsächlich in Bezug auf Träger unter
superkritischen Bedingungen erläutert
wird, wird es dem Fachmann ersichtlich, dass die zu Schäden im behandelten
Holz führenden Bedingungen
gleichermaßen
für Hochdruck-Träger unterhalb
der superkritischen Bedingungen gelten, und deshalb bezieht sich
die vorliegende Anmeldung auf Behandlungsverfahren unter Verwendung
eines Hochdruck-Trägermediums,
unabhängig
davon, ob der Träger
sich im superkritischen Zustand befindet oder nicht.
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Ein
unter Hochdruck stattfindender Prozess soll erfindungsgemäß bedeuten,
dass der Druck in der Behandlungsanlage während des Behandlungsprozesses
in mindestens einer Phase erheblich höher als der Umgebungsdruck
ist. Insbesondere beträgt
der Druck mindestens 20 bar über
Umgebungsdruck, vorzugsweise mindestens 40 bar über Umgebungsdruck, noch bevorzugter
mehr als 60 bar über
Umgebungsdruck und in einer besonderen bevorzugten Ausführungsform
mehr als 80 bar über
Umgebungsdruck.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Behandlung bei einem Druck im Bereich von 85–300 bar,
vorzugsweise 100–200
bar, noch bevorzugter im Bereich von 120–170 bar und am bevorzugstesten
im Bereich von 140–160
bar.
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Der
Begriff „Penetration" soll erfindungsgemäß die Eigenschaft
des Trägerfluids
für das
Eindringen in das behandelte Holz bedeuten. Somit besitzt ein Fluid,
das in einen oberflächenfernen
Zwischenraum des Holzes eindringt, bessere Penetrationseigenschaften
als ein Fluid, das unter gleichen Bedingungen nur in Zwischenräume des
Holzes eindringt, die näher
an der Oberfläche
liegen.
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Ein
Fluid im gasförmigen
bzw. superkritischen Zustand hat erheblich bessere Penetrationseigenschaften
als das gleiche Fluid im flüssigen
Zustand.
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Der
Begriff „Permeabilität" (Durchlässigkeit)
soll erfindungsgemäß eine Eigenschaft
des Holzes bedeuten, die den Penetrationswiderstand des Holzes gegenüber einem
Fluid beschreibt. Holzarten mit hoher Permeabilität haben
somit einen geringeren Penetrationswiderstand gegen ein Fluid als
Holzarten mit geringer Permeabilität.
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Als
erfindungsgemäß einzusetzendes
Trägermedium
kann grundsätzlich
jeglicher Träger
zur Anwendung kommen, der die gewünschten Lösungseigenschaften für die beabsichtigte
Verwendung besitzt. Vorzugsweise wird ein Medium eingesetzt, das
einen kritischen Punkt bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck
hat, damit eine zu hohe Temperatur und ein zu hoher Druck vermieden
werden. Demzufolge wird in der Erfindung ein Medium verwendet, das
einen kritischen Punkt bei einer Temperatur von 20–50°C und bei
einem Druck von 5–100
bar aufweist.
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Geeignete
Träger
sind in der Technik bekannt. Die Auswahl eines geeigneten Trägers für einen
beabsichtigten Einsatz obliegt der fachpraktischen Kenntnis des
durchschnittlichen Fachmanns.
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Beispiele
von erfindungsgemäß einsetzbaren
Trägern
sind dem technischen Fachmann bekannt. Kohlendioxid ist ein bevorzugter
Träger.
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Die
vorliegende Erfindung schreibt Maßnahmen zur Vermeidung von
Holzschäden
während
einer Hochdruckbehandlung vor. Damit wird der Fachmann erkennen,
dass die Erfindung für
jegliche unter Hochdruck durchgeführte Behandlung von Holz verwendet
werden kann.
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Die
Behandlung kann ein Imprägnierprozess
sein, bei dem ein oder mehrere aktive Verbindungen im Holz abgelagert
werden. Diese aktiven Verbindungen können Biozide, Fungizide, Insektizide,
Farbstoffe, feuerhemmende Verbindungen, festigkeitserhöhende Verbindungen
usw. sein.
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Die
Behandlung kann ein Extraktionsprozess sein, bei dem einzelne Verbindungen
aus dem Holz extrahiert werden, wie Harz, Terpene usw., bzw. kann
es sich um giftige Verbindungen handeln, die vor der Entsorgung
des Holzes aus dem Holz entfernt werden müssen.
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Für die Handhabung
von Medien bei hohen Drücken
ist bekannt, dass mit Erhöhung
des Drucks eines Gases die Temperatur steigt und mit Senkung des
Drucks die Temperatur sinkt. Diese Eigenschaften sind aus physikalischen
Lehren über
das Verhalten von Gasen hinreichend bekannt (wie Joule-Thomson-Effekt).
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Infolge
dessen wird der technische Fachmann erkennen, dass ein unter Hochdruckbedingungen
verwendetes Trägermedium
während
der Behandlung infolge eines durch einen Druckabfall bewirkten Temperaturabfalls
in den flüssigen
Zustand übertreten
kann.
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Wenn
zugelassen wird, dass der Träger
nach dem Temperaturabfall innerhalb des Holzes in flüssiger Form
vorliegt, kommt es zu einer gravierenden Änderung. Der flüssige Träger, der
eine erheblich geringere Holzpenetration aufweist, wird dann im
Holz eingeschlossen und mit Entfernen des Trägers aus dem Kessel bildet
sich zwischen dem Innenbereich des Holzes, wo die Flüssigkeit
gefangen ist, und dem Außenbereich des
Holzes, von dem der Träger
weggenommen wird, ein zunehmend steileres Druckgefälle heraus. Dieser Druckgradient
kann in letzter Folge dazu führen,
dass das Holz bricht und beschädigt
wird, sofern es sich um eine Holzart mit hoher Schadensneigung handelt.
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Wenn
im Gegensatz dazu der Träger
in einem gasförmigen
bzw. superkritischen Zustand gehalten wird, ist die Holzpenetration
des Trägers
so hoch, dass es ohne Beschädigung
des Holzes bzw. mit erheblich geringerer Beschädigung des Holzes entweichen
kann.
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Holz
als Naturmaterial ist nicht sehr homogen und wird bekanntlich von
Baum zu Baum und Anbauort zu Anbauort infolge unterschiedlicher
Witterungsbedingungen, Bodeneigenschaften, genetischen Gegebenheiten
usw. entsprechende Schwankungen aufweisen. Da die Bäume außerdem als
mehrjährige
Gehölze wachsen,
können
die Eigenschaften einer einzigen Holzprobe aufgrund von wechselndem
Wetter variieren.
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Deshalb
ist Holz von Grund auf inhomogen und es ist möglich, dass eine Holzprobe
einer Behandlung standhält,
durch die eine andere Probe beschädigt wird, auch wenn die beiden
Proben von der gleichen Baumart stammen.
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Das
Gefüge
und der Aufbau von Holz ist hinreichend dahingehend bekannt, dass
lange Fasern in Axialrichtung in einem charakteristischen Muster
nach Jahresringen angeordnet sind. Dieses Strukturgefüge führt zu sehr
unterschiedlichen Permeabilitäten
in axialer und radialer Richtung, wobei die Permeabilität in axialer Richtung
erheblich größer ist
als in radialer Richtung. Es wird angenommen, dass die Permeabilität in Axialrichtung
10 bis 20 Mal so groß wie
die Permeabilität
in Radialrichtung oder noch größer ist.
Die Erfindung soll jedoch nicht auf irgendeine bestimmte Theorie
begrenzt sein.
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Es
wird davon ausgegangen, dass unter Druckbeaufschlagung und Druckentlastung
das Trägerfluid in
das Holz eindringt und axial und/oder radial durch das Holz fließt und dass
die Zellwände
des Holzes den beobachteten Strömungswiderstand
bilden. Somit bilden sich während
der Druckbeaufschlagung und Druckentlastung im gesamten Holz von
Zelle zu Zelle Druckgradienten heraus.
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Infolge
der Axialströmung
als bestimmende Fließrichtung
wird für
den Fachmann ersichtlich, dass in langen Prüfkörpern zwischen dem zentralen
Bereich des Holzes und dem Außenbereich
steilere Druckgradienten ausgebildet werden als in kürzeren Prüfkörpern.
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Das
führt zu
der Annahme, dass bei einer Behandlung mit Hochdruckfluiden große Holzstücke schadensanfälliger sind.
Tatsächlich
lässt sich
die Verbindung zwischen Prüfkörperlänge und
Schadensanfälligkeit experimentell
beobachten.
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Man
kann für
Prüfkörper einer
schadensanfälligen
Holzart eine kritische Länge
bestimmen, die diejenige Länge
definiert, bei welcher die Schadensanfälligkeit auftritt. Um Prüfstücke oberhalb
dieser kritischen Länge
zu behandeln, müssen
besondere Maßnahmen
zur Vermeidung von Holzschäden
ergriffen werden, während
für Prüfstücke unterhalb
dieser kritischen Länge
keine solchen Maßnahmen
notwendig sind. Aufgrund der Schwankung innerhalb eines gleichen
Holzloses kann eine solche Grenze breit angelegt sein. Für die erfindungsgemäße Verwendung
ist die die kritische Länge
definiert als die Länge,
bei welcher die Schadensanfälligkeit
(Schadensneigung) innerhalb des Loses eine zumutbare Höhe aufweist,
d.h. wo Schäden
mit einer Häufigkeit
von unter 5%, vorzugsweise unter 2% beobachtet werden, wobei als
Häufigkeit
hier die Häufigkeit
des Auftretens von Brettern mit einem oder mehreren Schäden verstanden
wird.
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Die
kritische Länge
schwankt zwischen verschiedenen Holzarten und kann auch innerhalb
einer gleichen Baumart je nach Standort und Wachstumsbedingungen
schwanken, wie beispielsweise durch die geografische Breite bestimmt,
in der das jeweilige Holz gewachsen ist. Die kritische Länge für ein gegebenes
Holzlos kann bestimmt werden, indem Proben unterschiedlicher Länge unter
superkritischen Bedingungen imprägniert
werden und das superkritische Fluid nach erfolgter Imprägnierung
schnell und ohne Unterbrechung abgezogen wird, wonach durch Sichtprüfung der
Proben die kritische Länge
ermittelt wird, oberhalb welcher die Proben schwerwiegend beschädigt werden.
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Die
kritische Länge
wird bestimmt, indem die Proben bei einem Druck von 85–150 bar
und einer Temperatur von 40–60°C imprägniert werden,
der Druck über
40–60
Minuten auf 20 bar gesenkt und daraufhin schließlich über 40 Minuten auf 1 bar abgesenkt
wird, gefolgt von einer Sichtprüfung
der Proben.
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Typische
kritische Längen
werden im Bereich von 0,4 bis 6 m festgestellt, noch typischer 0,5
bis 3 m.
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Die
kritische Länge
kann mit dem Wassergehalt des Holzes variieren. Außerdem kann
die kritische Länge
von dem jeweils ausgewählten
Druck-Temperatur-Profil abhängen.
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Beispielsweise
hat sich bei Fichtenholzproben aus Lilleheden, Dänemark, die ermittelte kritische
Länge als
1,2 m herausgestellt.
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Mangels
experimenteller Daten kann für
praktische Zwecke von der Annahme ausgegangen werden, dass die kritische
Länge für ein gegebenes
Los 1 m beträgt.
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Unterschiedliche
Holzarten weisen bei Behandlungen mit superkritischen Fluiden eine
unterschiedliche Schadensanfälligkeit
auf. Einige Arten sind sehr resistent, während andere Arten sehr anfällig für Schäden sind.
Es wird angenommen, dass die Faktoren, die für die hohe oder geringe Schadensanfälligkeit
einer gegebenen Baumart verantwortlich sind, im Gefüge des Holzes
zu suchen sind, obwohl der bestimmende Faktor nicht explizit bekannt
ist.
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Schadensanfällige Holzarten
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden auch als spröde
Arten bezeichnet.
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Damit
wird für
den Fachmann aus der Lehre der vorliegenden Erfindung ersichtlich,
dass ein Holzartikel dann ein schadensanfälliger Holzartikel ist, wenn
er von einer spröden
Holzart stammt und so bemessen ist, dass seine Länge die für die betreffende Holzart kritische
Länge übersteigt.
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Um
zu bestimmen, ob eine Holzart eine spröde Holzart ist, kann eine geeignete
Anzahl von Prüfkörpern dieser
Holzart unter Verwendung des betreffenden Trägerfluids unter Druck gesetzt
werden und der Druck dann in kurzer Zeitdauer weggenommen werden,
wonach die Probekörper
auf Schäden
untersucht werden. Beispielsweise können Proben mit Kohlendioxid
bei 35°C
mit einem Druck von 150 bar beaufschlagt und in 30 Minuten druckentlastet
sowie anschließend
auf Schäden
begutachtet werden. Wenn die Zahl der nach dieser Behandlung beobachteten
Schäden
den ausgewählten
Grenzwert übersteigt,
dann handelt es sich beim betreffenden Holz um eine spröde Art.
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Beispiele
spröder
Holzarten gemäß der vorliegenden
Erfindung sind: Fichte, Rotzeder und Engelmann-Fichte.
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Holzschäden, die
durch superkritische Behandlung verursacht werden, können sich
erfindungsgemäß unterschiedlich
auswirken. Die Schäden
können
in Erscheinung treten als verminderte Festigkeit, geringere Elastizität, Risse,
Kompressionen oder Bruch des Holzgefüges, wo das Holz in zahlreiche
lange dünne
stabförmige
Fragmente gebrochen ist. Zum Zwecke dieser Erfindung werden die
verschiedenen Schadensformen nicht unterschieden und alle einfach
als „Schaden" bzw. „Beschädigung" bezeichnet.
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Wenn
der Druck, mit dem ein Stück
Holz per Trägermedium,
z.B. Kohlendioxid, beaufschlagt wurde, von diesem Stück Holz
weggenommen wird, können
je nach Lage im Holz verschiedene Temperatur-Entropie-Wege ablaufen.
In einer Zelle mitten im Holz wird davon ausgegangen, dass die Druckentlastung
im Wesentlichen iso-entropisch verläuft, d.h. auf einem Weg gemäß Weg A
in 2. In Zellen außerhalb des mittigen Zellenbereichs
kommt Kohlendioxid aus den inneren Zellen an und fließt Kohlendioxid
gleichzeitig aus den betreffenden Zellen heraus, weshalb die Druckentlastung
nicht mehr iso-entropisch abläuft,
sondern einem Weg ähnlich
Weg B bzw. C aus 2 folgt, wobei Weg B eine Zelle
darstellt, die näher
an der mittigen Zelle liegt, als die durch Weg C dargestellte Zelle.
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Wie
aus 2 ersichtlich, kreuzen die Wege A und B die dicke
Linie, die die Trennlinie zwischen dem flüssigen Zustand und dem superkritischen
Zustand darstellt, und deshalb wird in dieser Zelle flüssiges Kohlendioxid
gebildet. Die Bildung von flüssigem
Kohlendioxid hat dramatische Folgen, da die Holzpenetration von flüssigem Kohlendioxid
erheblich geringer ist als die Holzpenetration von superkritischem
Kohlendioxid, und infolgedessen kommt es zu einer erheblichen Verminderung
der Kohlendioxid-Abgabe
aus dieser Zelle. Als Folge bildet sich zwischen dieser Zelle und
der Umgebung ein sehr steiler Druckgradient heraus, der zu einem Bruch
und einem Holzschaden führen
kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Beschädigung
von schadensanfälligem
Holz mit einer die kritische Länge übersteigenden
Länge während der
superkritischen Behandlung vermieden bzw. vermindert, indem die
Behandlung so durchgeführt
wird, dass ein Vorliegen des superkritischen Fluids in flüssiger Form
im Inneren des Holzes nicht zugelassen wird.
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Der
technische Fachmann weiß,
wie ein Temperatur-Entropie-Diagramm (TS-Diagramm) der in 1 gezeigten
bzw. ähnlichen
Art zu interpretieren ist und in welchem Zustand die betreffende
Verbindung in den verschiedenen Bereichen des Diagramms jeweils
vorliegt. Insbesondere kennt er die Grenze zwischen dem superkritischen
und dem flüssigen
Zustand, die gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht überschritten
werden darf. Die Aufgabe für
den Fachmann besteht somit darin, für die Druckentlastung solche
Bedingungen und so einen Verlaufsweg zu wählen, dass diese Grenze nicht
passiert wird.
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Der
Erfinder hat ferner erkannt, dass zusätzlich zu den Schäden, die
daraus entstehen, dass das als superkritisches Fluid eingesetzte
Fluid in flüssiger
Form im Inneren des Holzes eingeschlossen wird, noch weitere Schäden während der
Druckbeaufschlagung und Druckentlastung auftreten können. Insbesondere
wurde erkannt, dass Schäden
während
der Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung in Abhängigkeit
von der Temperatur des Holzes auftreten, wobei das Holz mehr beschädigt wird,
wenn die Temperatur auf einen Wert erhöht wird, der die Plastifizierungstemperatur
des Holzes übersteigt.
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Die
Plastifizierungstemperatur des Holzes ist definiert als die Temperatur,
bei der das Holz durch kleine Druckdifferenzen verformbar wird.
Dem Fachmann wird ersichtlich, dass erfindungsgemäß die Plastifizierungstemperatur
der Temperatur entspricht, die für
die Verformung von Holz mit Hilfe eines üblichen Dampfkastens benötigt wird,
und ihm wird ersichtlich, wie diese Temperaturen zu bestimmen sind.
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Die
Plastifizierungstemperatur, im englischen Sprachraum „plastification
temperature", kann
auch als Erweichungstemperatur, im englischen Sprachraum auch als „plastifization
temperature" oder „softening
temperature", bezeichnet
werden. In der vorliegenden Anmeldung werden diese Begriffe als
gleichwertig betrachtet.
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Beispielsweise
wurde für
nordische Fichte mit einem Feuchtigkeitsgehalt im Bereich von 16
bis 23% festgestellt, dass die Plastifizierungstemperatur zirka
50°C bis
55°C beträgt.
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Ohne
an irgendeine Theorie gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen,
dass das Holz, wenn seine Temperatur die Plastifizierungstemperatur übersteigt,
selbst bei geringen Druckgradienten leicht verformbar und verformungsanfällig wird,
was zu Holzschäden
führen
kann.
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Somit
wird in einer erfindungsgemäßen bevorzugten
Ausführungsform
Holz mit einem superkritischen Fluid behandelt, wobei die Temperatur
des Holzes während
der Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung nicht die Plastifizierungstemperatur übersteigt.
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In
einer erfindungsgemäß besonders
bevorzugten Ausführungsform
wird durch entsprechende Ausführung
des Prozesses dafür
gesorgt, dass das als superkritisches Fluid eingesetzte Fluid im
Inneren des Holzes nicht in den flüssigen Zustand übergeht
und die Temperatur des Holzes während
der Druckbeaufschlagung und Druckentlastung nicht die Plastifizierungstemperatur übersteigt.
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Die
Erhöhung
der Temperatur auf einen Wert oberhalb der Plastifizierungstemperatur
des Holzes kann gemäß der vorliegenden
Erfindung die Ablagerung der abzulagernden Verbindungen verstärken. wichtig
ist, dass die Temperatur nicht auf einen Wert oberhalb der Plastifizierungstemperatur
gesteigert wird, wenn im Gefäß hohe Druckgradienten
vorliegen, um so die Beschädigung
des Holzes zu vermeiden. Deshalb sollte die Erhöhung der Temperatur auf Werte
oberhalb der Plastifizierungstemperatur des Holzes nicht vor Erreichen des
Haltedrucks bzw. nicht vor erheblicher Verlangsamung der Druckanstiegsgeschwindigkeit
("Druckanstiegsrate") erfolgen. Die Temperatur
sollte unter die Plastifizierungstemperatur abgesenkt werden, bevor
mit der Druckentlastung begonnen wird.
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Die
Erhöhung
der Temperatur auf Werte oberhalb der Plastifizierungstemperatur
des Holzes kann in einigen Ausführungsformen
für eine
bessere Ablagerung und bessere Anlagerung (Adhäsion) von aktiven Verbindungen
im Holz sorgen, was zu einer höheren
Imprägnierleistung
und zu einem geringeren Leckverlust bei den aktiven Verbindungen
nach erfolgter Behandlung führt.
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Zur
Holzbehandlung mit einem Hochdruckträger können Informationen über die
Bedingungen im Inneren des Holzes dienlich sein. Diese Informationen, insbesondere
in Bezug auf Temperatur und Druck, können durch experimentelle Routinevorgänge erhalten
werden, z.B. Eintauchen von Sonden in eine geeignete Anzahl von
Holzstücken
sowie Messung von Temperatur und Druck während einer Testbehandlung
mit hohem Druck. Dem Fachmann wird ersichtlich, dass für diesen
Prüfgang
eine geeignete Anzahl von Proben eingesetzt werden sollte, wobei
die Anzahl im Hinblick auf die Heterogenität des Loses usw. gewählt werden
sollte.
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Die
Erfindung kann auch ohne detaillierte Kenntnis der im Inneren des
Holzes vorliegenden Bedingungen eingesetzt werden. Die vorliegende
Anmeldung lehrt, dass Bedingungen, bei denen der Träger in flüssiger Form
vorliegt, im Inneren des Holzes nicht auftreten sollten und dass
während
der Druckbeaufschlagung und Druckentlastung des Gefäßes die
Temperatur des Holzes die Plastifizierungstemperatur des Holzes
nicht übersteigen
sollte. Dem Fachmann ist ersichtlich, wie solche Bedingungen zu
vermeiden sind. Anwendbare Maßnahmen
sind solche, die eine Wegbewegung von der Trenngrenze zwischen superkritischem
Fluid und Flüssigkeit
bewirken, d.h. Druck und Temperatur, und vorzugsweise Temperatur,
wobei darauf zu achten ist, dass die Plastifizierungstemperatur
nicht überschritten
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird dem Gefäß, in welchem
die superkritische Behandlung stattfindet, während der Druckentlastung Wärme zugeführt. Die
zuzuführende
Wärmemenge
muss ausreichend sein, um abzusichern, dass durch die Bedingungen
innerhalb des Holzes nicht zugelassen wird, dass das in der Behandlung
eingesetzte Fluid in flüssiger
Form vorliegt. Wenn das superkritische Fluid beispielsweise Kohlendioxid
ist, wird eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur von
31°C sicherstellen,
dass kein flüssiges
Kohlendioxid auftritt.
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Die
Temperatur kann gemessen werden, indem ein Temperaturmessfühler, z.B.
ein Thermometer, in einen oder mehrere Prüfkörper je Prüfgang bzw. in eine repräsentative
Anzahl von Prüfkörpern während eines Prüfgangs eingeführt wird.
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Zu
den Mitteln, die dem Fachmann zur Änderung der Temperatur während der
Behandlung zur Verfügung
stehen, gehören
die Zuführung
von Fluid, die Abführung
von Fluid, die Zufuhr von Wärme,
der Abzug von Wärme
sowie jegliche geeignete Kombination dieser Mittel.
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In
einer Ausführungsform
erfolgt die Wärmezufuhr
zum Gefäß durch
gleichzeitiges Zuführen
und Abführen
von superkritischem Fluid, wobei die Temperatur des in das Gefäß einströmenden Fluids
höher als
die Temperatur des ausgehenden Fluids und die einströmende Menge
des Fluids geringer als die ausgehende Menge des Fluids ist.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Druckentlastung in folgenden Schritten:
- a) Entfernen von Trägerfluid
aus dem Gefäß, bis ein
Druck und eine Temperatur unter dem Ausgangszustand erreicht sind;
- b) Zuführung
von superkritischem Fluid mit einer Temperatur, die höher ist
als die Temperatur des Fluids im Gefäß, bis ein Druck erreicht ist,
der niedriger ist als der in Ausgangsdruck in Schritt a), und/oder
Zufuhr von Wärme
zum Gefäß;
- c) ein- oder mehrmalige Wiederholung von Schritt a) und b);
- d) wenn der Druck ausreichend niedrig ist, Absenkung des Drucks
bis zum annäherungsweise
atmosphärischen
Druck und Entfernen des behandelten Holzes.
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Dem
Fachmann wird ersichtlich, dass während Schritt (a) die Temperatur
im Gefäß und im
Inneren der Holzproben fallen wird.
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In
dieser Ausführungsform
kommt ein Verlaufsweg in einem TS-Diagramm zustande, wie in 3 zeigt,
wo der angezeigte Weg den Zustand in der Mitte des Holzes darstellt.
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Die
Zahl und Höhen
einer jeden Stufe (a) sowie die Temperaturdifferenz zwischen den
in Stufe (b) abgeführten
bzw. eingespeisten Fluiden lassen sich im Hinblick auf das TS-Diagramm
durch Routine-Experimente bestimmen. Die Zahl von Stufen liegt vorzugsweise
zwischen 2 und 10, am bevorzugtesten zwischen 3 und 6. Die Druckhöhe einer
jeden Stufe liegt vorzugsweise zwischen 5 und 50 bar, bevorzugter
zwischen 10 und 30 bar und am bevorzugtesten zwischen 15 und 25
bar.
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Ein
bevorzugtes Verfahren beinhaltet die folgenden Stufen:
- a) Beschickung des Gefäßes mit
zu behandelndem Holz;
- b) Druckbeaufschlagung des Gefäßes mit einem Trägerfluid,
bis der Behandlungsdruck erreicht ist;
- c) eine Druckhaltungsphase, in welcher der Druck im Wesentlichen
konstant ist bzw. der Druck sich mit niedriger Geschwindigkeit geändert;
- d) Druckentlastung des Gefäßes auf
Umgebungstemperatur, gefolgt von der Entnahme des behandelten Holzes.
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Als
bevorzugte Drücke
und Temperaturen können
erwähnt
werden:
Eine Behandlung, bei welcher der superkritische Behandlungsdruck
in Stufe c) im Bereich 85–300
bar, vorzugsweise im Bereich 100–200 bar, bevorzugter im Bereich
120–170
bar und am bevorzugtesten im Bereich 140–160 bar liegt.
Eine Behandlung,
bei welcher die Temperatur des Trägerfluids im Holz über 10°C, vorzugsweise über 20°C, vorzugsweise über 25°C, vorzugsweise über 30°C, bevorzugter über 32,5°C und am
bevorzugtesten über 35°C liegt.
Eine
Behandlung, bei welcher die Temperatur des Trägers in Stufe b) und d) im
Bereich 25–65°C, vorzugsweise
im Bereich 31–55°C liegt,
wenn der Druck über
30 bar beträgt.
Eine
Behandlung, bei welcher die Temperatur während Stufe b) und d) unter
65°C, vorzugsweise
unter 60°C, vorzugsweise
unter 55°C,
bevorzugter unter 50°C
und am bevorzugtesten unter 45°C
liegt.
Eine Behandlung, bei welcher die Temperatur während Stufe
d) über
45°C, vorzugsweise über 50°C, vorzugsweise über 55°C und bevorzugter über 60°C liegt,
wenn der Druck über
30 bar beträgt.
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Nachdem
der Druck auf 10–30
bar vermindert wurde, kann er ohne weitere Maßnahmen auf atmosphärischen
Druck gesenkt werden (Stufe (d)).
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Es
ist zu verstehen, dass Schäden
auch durch die Reduzierung der Druckabnahmegeschwindigkeit vermieden
werden können.
Auf diese Weise dauert die Druckentlastung länger, wodurch eine bessere
Wärmeverteilung
sichergestellt und damit gewährleistet
wird, dass die Temperatur in der Mitte nicht so stark abfallen kann
wie im Falle einer höheren
Druckabnahmegeschwindigkeit. Ferner hat dann das superkritische
Fluid im Inneren des Holzes mehr Zeit zum Abfließen aus dem Holz zur Verfügung. Infolgedessen
sind die ausgebildeten Druckgradienten weniger steil. Aus industrieller
Sicht ist diese Lösung
jedoch nicht attraktiv, da die für die
Druckreduzierung eingesetzte längere
Zeit bedeutet, dass jedes Los die Anlage für eine längere Zeitdauer okkupiert,
was wiederum eine Senkung der Anlagenproduktivität bedeutet.
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Die
Erfindung wird nun durch folgende Beispiele weiter erläutert, die
die Erfindung illustrieren sollen und nicht als irgendwie einschränkend zu
betrachten sind.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Bestimmung
der kritischen Länge
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Für diese
Bestimmung wurden aus Lilleheden, Dänemark bezogene Fichtenholzproben
verwendet.
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Proben
mit Längen
im Bereich von 0,25 bis 1,2 m wurden unter superkritischen Bedingungen
unter Einsatz von Kohlendioxid als Lösungsmittel imprägniert.
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Die
Proben wurden bei einer Temperatur von 55°C und einem Druck von 150 bar
mit 50 g Biozid imprägniert,
was einer Ablagerung von 0,25 kg Biozid pro m3 Holz
entspricht.
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Nach
der 20-minütigen
Imprägnierung
wurde der Druck im Gefäß gemäß den in
Tabelle 1 unten aufgelisteten Abläufen weggenommen.
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Nach
Erreichen des atmosphärischen
Drucks wurde das Gefäß geöffnet und
die Proben entnommen und visuell auf Schäden untersucht. Tabelle
1
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Die
Ergebnisse lassen darauf schließen,
dass die kritische Länge
des Holzes 1,2 m beträgt.
Ferner lässt
sich erkennen, dass die Verlangsamung des Druckabbaus und damit
die Verlängerung
der Dauer für
den Druckabbau 150–85
bar von 20 auf 40 Minuten sowie für den Druckabbau 85–20 bar
von 40 auf 60 Minuten keine Veränderung
der kritischen Länge
bewirkt hat.
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In 4 sind
die Proben dargestellt, bei denen offensichtlich ist, dass die 1,2
m lange Probe erheblich beschädigt
ist, während
die anderen Proben nicht beschädigt
sind.
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Beispiel 2
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Auswirkung der Temperatur
auf die Anzahl von Beschädigungen
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Dieses
Beispiel demonstriert die Abhängigkeit
der Temperatur von der Anzahl der Schäden.
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In
einem Gefäß wurden
gemeine Fichtenbretter von 1"x3" mit superkritischem
Kohlendioxid als Medium behandelt. Die Bretter hatten eine Gesamtlänge von
1,5 m. Zur Simulierung von 3 m langen Hölzern wurden Bretter an einem
Ende verblendet, so dass das Medium nur an einem Ende in die Bretter
eindringen konnte.
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Verschiedene
Drücke,
Temperaturen und Druckentlastungszeiten gemäß Tabelle 2 wurden ausgewählt und
die Schadquote wurde als Prozentsatz Bretter berechnet, die einen
oder mehrere Schäden
aufwiesen. Tabelle
2
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Die
Daten in Tabelle 2 lassen darauf schließen, dass die Länge der
Bretter einen erheblichen Einfluss auf die Schadquote hat, mit einer Änderung
von 22 auf 41% bei einer Längenerhöhung von
1,5 auf 3 m.
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Ferner
lässt sich
ableiten, dass die Behandlungstemperatur, d.h. die Ausgangstemperatur
vor Druckentlastung, einen ausgeprägten Einfluss auf die Schadquote
hat. Bei einer Druckentlastungsdauer von 39 Minuten lässt sich
bei einer Temperatur von 45°C
bis 65°C
ein Quotenabfall von 41% auf 5% beobachten.
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Ein ähnlicher
Abfall lässt
sich für
eine Druckentlastungszeit von 90 Minuten beobachten, allerdings
infolge der längeren
Dauer in einem niedrigeren Umfang.