ES2358800T3

ES2358800T3 - THERMO-MODIFIED WOOD TREATMENT.

Info

Publication number: ES2358800T3
Application number: ES04742205T
Authority: ES
Inventors: Risto Laitinen; Mika Kankkunen; Henry Lindell; Jukka Lehtovuori; Jouko Silen; Saku PÄNKÄLÄINEN
Original assignee: Stora Enso Oyj
Current assignee: Stora Enso Oyj
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2011-05-13
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: ATE496747T1; FI20031103A0; DE602004031233D1; FI20031103A; FI118958B; CA2533114C; CA2533114A1; EP1651402A1; WO2005009700A1; EP1651402B1

Abstract

The invention relates to treatment of thermally modified wood. Thermal modification means controlled heating treatment of wood most appropriately under moist atmosphere so as to improve the dimensional stability and decay resistance of the wood. In accordance with the invention, the water absorption tendency of themally modified wood is reduced by treating the wood with a hydrophobic sizing agent reactive with cellulose, the treatment resulting in water-repellent wood. The wood can be treated with a solution containing a sizing agent, and then the solvent is evaporated by drying. Suitable sizing agents comprise alkyl ketene dimers (AKD) and alkenyl succinic acid anhydrides (ASA) dissolved in acetone, for instance. When ASA is used, the dried wood impregnated with the sizing agent requires an additional heating treatment in order to become hydrophobic.

Description

El invento se refiere a un método para tratar madera térmicamente modificada, el producto obtenido con el método y 5 el uso de agentes de procesado en conexión con el método. The invention relates to a method for treating thermally modified wood, the product obtained with the method and the use of processing agents in connection with the method.

Modificación térmica de madera significa tratamiento térmico controlado del madero a una temperatura superior a 100ºC de modo que el tratamiento mejore la estabilidad dimensional de a madera y reduzca su contenido de humedad en equilibrio y la vida húmeda. Otros efectos beneficiosos de la modificación térmica comprenden mayor 10 resistencia a la descomposición y reducida secreción de resina. Por otra parte la modificación térmica resulta en el oscurecimiento de la madera y peor resistencia al curvado y exfoliación. Debido a sus propiedades la madera térmicamente modificada es aplicable especialmente a construcciones y mobiliario expuesto a contacto con el ambiente exterior. Thermal modification of wood means controlled heat treatment of the wood at a temperature above 100 ° C so that the treatment improves the dimensional stability of wood and reduces its moisture content in equilibrium and wet life. Other beneficial effects of thermal modification include greater resistance to decomposition and reduced resin secretion. On the other hand the thermal modification results in the darkening of the wood and worse resistance to bending and exfoliation. Due to its properties, thermally modified wood is especially applicable to buildings and furniture exposed to contact with the outside environment.

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Técnicas de modificación térmica de la madera se han descrito en WO 95/31680, que se dirige al control de la diferencia de temperatura entre la superficie exterior y la interior de la madera durante el aumento de temperatura con el fin de impedir grietas en la madera. En esta referencia la diferencia de temperatura está en la gama de 10-30ºC y esta gama se mantiene aproximadamente constante durante el calentamiento. De conformidad con esta referencia una diferencia de temperatura controlada de forma correspondiente en la gama de 10-30ºC entre el 20 interior de la madera y su superficie externa puede mantenerse también durante el enfriamiento de la madera, durante el cual, a diferencia del proceso de calentamiento, prevalece la temperatura mas alta dentro de la madera. Techniques for thermal modification of wood have been described in WO 95/31680, which is aimed at controlling the temperature difference between the exterior and interior surface of the wood during the temperature increase in order to prevent cracks in the wood . In this reference the temperature difference is in the range of 10-30 ° C and this range remains approximately constant during heating. According to this reference, a correspondingly controlled temperature difference in the range of 10-30 ° C between the interior of the wood and its external surface can also be maintained during the cooling of the wood, during which, unlike the process of heating, the highest temperature inside the wood prevails.

La WO 94/27102 describe un método mejorado para producir madera térmicamente modificada, en donde la temperatura de tratamiento de la madera está por encima de 150ºC, llevándose a cabo el tratamiento con la ayuda 25 de vapor. En el curso del tratamiento se produce en la madera una pérdida de peso de por lo menos 3%. WO 94/27102 describes an improved method for producing thermally modified wood, wherein the wood treatment temperature is above 150 ° C, the treatment being carried out with the help of steam. In the course of the treatment a loss of weight of at least 3% occurs in the wood.

La WO 01/53812 describe además un procedimiento para reconocer la modificación térmica en la madera midiendo el número de radicales libres en la madera y comparando este número con el de los radicales libres en madera sin tratar correspondiente. La referencia establece un criterio para la modificación térmica de que el número de 30 radicales libres en la madera debe ser por lo menos 1,5 veces, de preferencia por lo menos el doble, comparado con la madera sin tratar. WO 01/53812 further describes a process for recognizing thermal modification in wood by measuring the number of free radicals in wood and comparing this number with that of free radicals in corresponding untreated wood. The reference establishes a criterion for thermal modification that the number of 30 free radicals in the wood should be at least 1.5 times, preferably at least twice, compared to untreated wood.

La WO 02/081159 describe el uso de varias sustancias para proteger la madera. La EP 0327215 describe el uso de ciertos dímeros de ceteno para el encolado de fibras crudas o virutas de madera sin digerir para uso en productos de 35 construcción. Callum A.S. et al.: "The chemical modification of Scots Pine with succinic anhydrode or octenyl succinic anhydride" Holzforschung vol. 52, 1998, págs. 427-433 exponen el uso de anhídrido octenil succínico en el tratamiento de la madera. WO 02/081159 describes the use of various substances to protect wood. EP 0327215 describes the use of certain cetene dimers for gluing raw fibers or undigested wood chips for use in construction products. Callum A.S. et al .: "The chemical modification of Scots Pine with succinic anhydrode or octenyl succinic anhydride" Holzforschung vol. 52, 1998, p. 427-433 expose the use of succinic octenyl anhydride in the treatment of wood.

En lo sucesivo la modificación térmica de la madera o madera térmicamente modificada implica que la madera reune 40 los criterios de modificación térmica de la madera o madera térmicamente modificada definida con respecto de la WO 01/53812 citada antes. Hereafter the thermal modification of the wood or thermally modified wood implies that the wood meets the criteria of thermal modification of the wood or thermally modified wood defined with respect to WO 01/53812 cited above.

A pesar del contenido de humedad de equilibrio reducido de la madera térmicamente modificada en el ambiente externo húmedo, se ha encontrado ahora que esta madera, cuando se pone en contacto directo con agua o terreno 45 húmedo, absorbe agua en abundancia. Si bien la modificación térmica como tal mejora la resistencia a la descomposición de la madera, especialmente con el empapado de agua durante largo tiempo, tiene todavía efecto perjudicial sobre la resistencia de la madera. En adición el material de madera mojado adquiere un peso marcadamente aumentado. Despite the reduced equilibrium moisture content of the thermally modified wood in the humid external environment, it has now been found that this wood, when brought into direct contact with wet water or soil, absorbs water in abundance. While thermal modification as such improves the resistance to wood decomposition, especially with water soaking for a long time, it still has a detrimental effect on the strength of the wood. In addition, the wet wood material acquires a markedly increased weight.

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El objeto del presente invento es por tanto proporcionar una solución con el fin de impedir el empapado con agua de madera térmicamente modificada. El invento se define en las reivindicaciones adjuntas. El método del invento comprende tratamiento de repelencia al agua de madera térmicamente modificada por medio de un agente encolante hidrofóbico reactivo a celulosa. El tratamiento se lleva a cabo, de preferencia con una solución que contiene el agente de encolado hidrofóbico, seguido de evaporación de disolvente por medio de secado. 55 The object of the present invention is therefore to provide a solution in order to prevent soaking with thermally modified wood water. The invention is defined in the appended claims. The method of the invention comprises water repellent treatment of thermally modified wood by means of a cellulose reactive hydrophobic sizing agent. The treatment is preferably carried out with a solution containing the hydrophobic sizing agent, followed by evaporation of solvent by means of drying. 55

De conformidad con el invento se ha encontrado que una cola disuelta en un disolvente orgánico apropiado se absorbe fácilmente en madera térmicamente modificada, y esto se debe al mismo hecho que el de empapado con agua de la madera, o sea porosidad aumentada de la estructura de la madera. Las pruebas preliminares conducidas de conformidad con el invento obtuvieron un ángulo de contacto por encima de 90º, aún por encima de 100º, entre la 60 superficie de la madera tratada y una gota de agua depositada sobre esta, siendo este ángulo una indicación de alta repelencia al agua. In accordance with the invention it has been found that a glue dissolved in an appropriate organic solvent is easily absorbed in thermally modified wood, and this is due to the same fact as that of water soaked in the wood, that is, increased porosity of the structure of timber. Preliminary tests conducted in accordance with the invention obtained a contact angle above 90 °, even above 100 °, between the surface of the treated wood and a drop of water deposited on it, this angle being an indication of high repellency. the water.

La totalidad del material de madera puede impregnarse con la solución que contiene el agente de encolado con el fin de obtener una concentración de cola constante. Opcionalmente la madera puede tratarse superficialmente 65 The entire wood material can be impregnated with the solution containing the sizing agent in order to obtain a constant glue concentration. Optionally, wood can be treated superficially 65

mediante pintado o sumergiéndola rápidamente en una cubeta de inmersión, siendo tratadas a fondo las superficies de la pieza de madera, mientras que la cola penetra solo en las capas superficiales. by painting or immersing it quickly in an immersion tray, the surfaces of the piece of wood being thoroughly treated, while the glue penetrates only the surface layers.

Agentes de encolado apropiados para aumentar la hidrofobicidad de la madera de conformidad con el invento incluyen agentes de encolado reactivos con celulosa, obteniéndose el encolado en la gama de pH neutro o alcalino. 5 Estos agentes de encolado comprenden dímeros de alquil ceteno (AKD) y anhídridos de ácido alquenil succínico (ASA) conocidos en el encolado de papel y cartón, entre otras aplicaciones. La industria del papel y cartón utiliza estas colas en forma de emulsiones acuosas, mientras que éstas son mas convenientes en la impregnación de la madera térmicamente modificada del invento cuando se disuelven en un disolvente orgánico, tal como acetona. En términos de absorbabilidad la solución de cola se diluye de preferencia, estando la concentración de cola en la 10 solución por ejemplo de 0,01-5% en peso, de preferencia 0,05-0,2% en peso. Sin embargo, el invento permite también el uso de una cola AKD, ASA o similar tal cual sin ningún disolvente, en forma de una solución dispersión o emulsión concentrada, siendo el medio de la dispersión o emulsión del invento por ejemplo agua, y la proporción del agente de encolado igualando las concentraciones de cola en la solución antes citada. AKD y ASA pueden además utilizarse conjuntamente cuando se entremezclan. 15 Suitable sizing agents to increase the hydrophobicity of the wood according to the invention include sizing agents reactive with cellulose, the sizing being obtained in the neutral or alkaline pH range. 5 These sizing agents comprise alkyl cetene (AKD) dimers and alkenyl succinic acid (ASA) anhydrides known in paper and cardboard sizing, among other applications. The paper and cardboard industry uses these glues in the form of aqueous emulsions, while these are more convenient in impregnating the thermally modified wood of the invention when dissolved in an organic solvent, such as acetone. In terms of absorbability, the glue solution is preferably diluted, the glue concentration in the solution being for example 0.01-5% by weight, preferably 0.05-0.2% by weight. However, the invention also allows the use of an AKD, ASA or similar glue as such without any solvent, in the form of a concentrated dispersion or emulsion solution, the dispersion or emulsion medium of the invention being for example water, and the proportion of the sizing agent by matching the glue concentrations in the solution mentioned above. AKD and ASA can also be used together when intermingled. fifteen

Las colas de dímeros de alquil ceteno (AKD) utilizadas en el invento comprenden una cadena de alquilo C16-C22 lineal. Los preparados de cola AKD se encuentran disponibles tanto en forma sólida como líquida. The tails of alkyl cetene dimer (AKD) used in the invention comprise a linear C16-C22 alkyl chain. AKD glue preparations are available in both solid and liquid form.

Las colas ASA utilizadas en el invento comprenden una cadena de alquenilo C16-C22. 20 The ASA glues used in the invention comprise a C16-C22 alkenyl chain. twenty

En el arte anterior el artículo de C.A.S. Hill and S. Malllon en el Journal of Wood Chemistry and Technology, 18 (3), páginas 299-311 (1998) se explica la modificación química de madera, en donde uno de los agentes químicos fue anhídrido de ácido 2-octen1-il succínico, que pertenece a las colas ASA, disuelto en piridina. Sin embargo, este no fue un caso de madera térmicamente modificada, ni tiene como objeto el aumento de la hidrofobicidad de la madera, 25 sino que por contra una mayor estabilidad dimensional y resistencia de la madera y un mayor número de grupos funcionales reactivos en la madera por medios químicos. La técnica descrita en el artículo se asocia por tanto con modificación térmica de la madera en lugar de con hidrofobización de madera. In the prior art the article by C.A.S. Hill and S. Malllon in the Journal of Wood Chemistry and Technology, 18 (3), pages 299-311 (1998) explains the chemical modification of wood, where one of the chemical agents was 2-octen1-il acid anhydride succinic, which belongs to ASA glues, dissolved in pyridine. However, this was not a case of thermally modified wood, nor is it intended to increase the hydrophobicity of the wood, 25 but rather against greater dimensional stability and resistance of the wood and a greater number of reactive functional groups in the Wood by chemical means. The technique described in the article is therefore associated with thermal modification of the wood rather than with hydrophobicization of wood.

Después del encolado y la evaporización del disolvente o medio de emulsión o dispersión del invento, la madera 30 puede procesarse adicionalmente mediante calentamiento, por ejemplo exponiéndola a una temperatura en la gama de 100 - 140ºC durante 15-60 minutos. El calentamiento requerido depende del agente de encolado seleccionado; pruebas preliminares indican que este post-calentamiento es casi insignificante en encolado con AKD, mientras que mejora crucialmente la hidrofobicidad obtenida con ASA. After gluing and evaporation of the solvent or emulsion or dispersion medium of the invention, the wood 30 can be further processed by heating, for example by exposing it to a temperature in the range of 100-140 ° C for 15-60 minutes. The required heating depends on the sizing agent selected; Preliminary tests indicate that this post-heating is almost insignificant in gluing with AKD, while crucially improving the hydrophobicity obtained with ASA.

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La madera térmicamente modificada del invento tratada como se ha indicado antes se caracteriza por haberse impregnado con un agente de encolado hidrofóbico reactivo con celulosa, lo que hace la madera mas repelente al agua. La cola impregna por lo menos las capas superficiales de la pieza de madera, de modo que las superficies de la pieza se protegen por la cola en todos los laterales. La cola puede distribuirse de modo uniforme a través de la madera, siendo la concentración de la cola en la madera tratada aproximadamente constante. 40 The thermally modified wood of the invention treated as indicated above is characterized by being impregnated with a cellulose reactive hydrophobic sizing agent, which makes the wood more water repellent. The glue impregnates at least the surface layers of the piece of wood, so that the surfaces of the piece are protected by the glue on all sides. The glue can be distributed evenly throughout the wood, the concentration of the glue in the treated wood being approximately constant. 40

El invento comprende además el uso de una cola hidrofóbica, tal como AKD o ASA, en tratamiento de repelencia de agua de madera térmicamente modificada. The invention further comprises the use of a hydrophobic glue, such as AKD or ASA, in water repellent treatment of thermally modified wood.

El invento se clarifica a continuación por medio de los ejemplos de realización siguientes. 45 The invention is clarified below by means of the following embodiments. Four. Five

Ejemplo 1 Example 1

Se disolvió cola AKD conteniendo una cadena de alquilo C16/C18 en acetona hasta una solubilidad del 0,1% en peso 50 y se impregnó a fondo con esta solución madera térmica comercializada con el nombre Thermowood. La madera se secó evaporando el disolvente de acetona y la madera tratada con AKD secada se calentó hasta 130ºC durante períodos de 15, 30 y 60 minutos, respectivamente. Se probó la repelencia al agua de la madera mediante una prueba de gota, en donde el ángulo de contacto formado por la gotita de agua dispuesta sobre la madera y la propia madera se midió después de periodos de contacto de 1, 5 y 10 s., respectivamente. El gráfico de columnas de la 55 figura 1 adjunta muestra los resultados de cinco muestras, una muestra de referencia (ref.), o sea madera térmica no tratada con AKD, madera térmica tratada con AKD, que se ha secado pero no sometido a un proceso de calentamiento, y madera térmica tratada con AKD, que se ha secado y luego calentado a 130ºC durante períodos de 15, 30 o 60 minutos. Los resultados muestran la hidrofilicidad de la madera no tratada con AKD, apareciendo como un bajo ángulo de contacto, que luego disminuye rápidamente a medida que se prolonga el contacto. La madera 60 térmica tratada con AKD dió ángulos de contacto de aproximadamante 90-100º, lo que indicó que la superficie fue repelente al agua y carente de una tendencia de absorción de agua en la madera. Esto indica también que un tratamiento de calentamiento después del encolado con AKD tiene solo una relación marginal sobre la hidrofobicidad de la madera y que calentamiento de duración excesiva puede tener un impacto negativo. AKD glue containing a C16 / C18 alkyl chain in acetone was dissolved to a solubility of 0.1% by weight 50 and was thoroughly impregnated with this thermal wood solution marketed under the name Thermowood. The wood was dried by evaporating the acetone solvent and the wood treated with dried AKD was heated to 130 ° C for periods of 15, 30 and 60 minutes, respectively. The water repellency of the wood was tested by a drop test, where the contact angle formed by the water droplet arranged on the wood and the wood itself was measured after contact periods of 1, 5 and 10 s. respectively. The column chart of the attached figure 1 shows the results of five samples, a reference sample (ref.), That is, non-AKD-treated thermal wood, AKD-treated thermal wood, which has been dried but not subjected to a heating process, and thermal wood treated with AKD, which has dried and then heated at 130 ° C for periods of 15, 30 or 60 minutes. The results show the hydrophilicity of wood not treated with AKD, appearing as a low contact angle, which then decreases rapidly as the contact is prolonged. The thermal wood 60 treated with AKD gave contact angles of approximately 90-100 °, which indicated that the surface was water repellent and lacking a tendency of water absorption in the wood. This also indicates that a heating treatment after gluing with AKD has only a marginal relationship on the hydrophobicity of the wood and that overheating can have a negative impact.

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Ejemplo 2 Example 2

Se reprodujeron las pruebas del ejemplo 1 con el uso de ASA conteniendo una cadena de alquenilo C18-C22 en lugar de AKD. Utilizando un proceso conteniendo solución al 0,1% de ASA disuelta en acetona, los ángulos de contacto de una gotita de agua se determinaron sobre madera térmica seca e impregnada tal cual o después de tratamientos 5 de calentamiento de 15, 30 o 60 minutos a 130ºC, al final de períodos de contacto de 1, 5 y 10 s. Como en el ejemplo 1, la referencia (ref.) comprendió una madera térmica sin encolado comercial tal cual. Los resultados aparecen en el gráfico de columnas de la figura 2 en el dibujo. Resulta que el encolado de ASA solo, sin calentamiento, no proporciona ninguna mejora notable en la hidrofobicidad de la madera térmica, mientras que excelente hidrofobicidad aparece como un ángulo de contacto de 100º aproximadamente obtenido cuando madera 10 térmica encolada con ASA y secada se somete adicionalmente a un corto proceso de calentamiento. The tests of Example 1 were reproduced with the use of ASA containing a C18-C22 alkenyl chain instead of AKD. Using a process containing 0.1% solution of ASA dissolved in acetone, the contact angles of a water droplet were determined on dry and impregnated thermal wood as is or after heating treatments 5 of 15, 30 or 60 minutes at 130 ° C, at the end of contact periods of 1, 5 and 10 s. As in example 1, the reference (ref.) Comprised a thermal wood without commercial sizing as is. The results appear in the column chart of Figure 2 in the drawing. It turns out that the gluing of ASA alone, without heating, does not provide any notable improvement in the hydrophobicity of the thermal wood, while excellent hydrophobicity appears as a contact angle of approximately 100 ° obtained when thermal wood 10 glued with ASA and dried is further subjected to a short heating process.

Claims

1.- A method for treating thermally modified wood having the number of free radicals increased up to at least 1.5 times by the modification compared with corresponding untreated wood, characterized in that a piece of thermally modified wood becomes water repellent impregnated with a hydrophobic sizing agent, which is reactive with cellulose, the sizing agent being an alkyl cetene dimer (AKD) with a linear C16-C22 alkyl chain and / or an alkenyl succinic acid anhydride (ASA) with a C16-C22 alkenyl chain, and at least when the sizing agent is ASA the treated wood is dried and then heated to a temperature of 100-140 ° C for 15-60 minutes. 10

2. A method according to claim 1, characterized in that the wood becomes water repellent by treating it with a solution or a dispersion containing a hydrophobic sizing agent and separating the solvent or dispersion medium by drying.

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3. A method according to claim 2, characterized in that all surfaces of a piece of wood are treated with a solution or dispersion containing a sizing agent.

4. A method according to any of claims 2-3, characterized in that the sizing agent has been dissolved in an organic solvent, such as acetone. twenty

5. A method according to any of claims 2-4, characterized in that the content of sizing agent in the solution or dispersion of the process is 0.01-5% by weight, preferably 0.05-0, 2% by weight

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6. A piece of thermally modified wood obtainable with a method according to any of the preceding claims, characterized in that the wood has been impregnated with a hydrophobic gluing agent, which is reactive with cellulose and by means of which the wood has been turned water repellent, said sizing agent being an alkyl cetene dimer (AKD) with a C16-C22 alkyl chain and / or an alkenyl succinic acid anhydride (ASA) with a C16-C22 alkenyl chain. 30

7. A piece of thermally modified wood according to claim 6, characterized in that the wood has been impregnated with the sizing agent to evenly distribute the sizing agent over the entire wood.

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8.- Use of a hydrophobic cellulose reactive glue in the treatment of a piece of thermally modified wood that has a number of free radicals increased up to at least 1.5 times by the modification compared to corresponding untreated wood, impregnating the wood with the glue to make it water repellent, said glue being an alkyl cetene dimer (AKD) with a C16-C22 alkyl chain and / or an alkenyl succinic acid anhydride (ASA) with a C16-C22 alkenyl chain, and at least when the sizing agent 40 is ASA, the treated wood is dried and then heated to a temperature of 100-140 ° C for 15-60 minutes.