Improvement of the most important wood properties with nanoparticles  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
116635
Type PD
Principal investigator Bak, Miklós
Title in Hungarian A faanyagok fontosabb műszaki jellemzőinek javítása nanovegyületekkel
Title in English Improvement of the most important wood properties with nanoparticles
Keywords in Hungarian faanyag, nanovegyület, UV-védelem, gombaállóság, hidrofób
Keywords in English wood, nanoparticle, UV-protection, decay resistance, hydrophobic
Discipline
Agricultural engineering (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Forest sciences
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Institute of Wood Science (University of Sopron)
Starting date 2015-10-01
Closing date 2018-09-30
Funding (in million HUF) 24.864
FTE (full time equivalent) 2.40
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A faanyagok hasznosítása, felhasználása világszerte növekvő tendenciát mutat, köszönhetően a faanyag kedvező tulajdonságainak. A faanyagok felhasználását azonban korlátozza néhány jellemző. Ezen jellemzők kedvező befolyásolására több megoldás is született már különböző faanyag modifikáló eljárások formájában. Ezek közül elsősorban a hőkezelések és az acetilezéses eljárás terjedt el, ezek már ipari méretben is megvalósultak. Hátrányuk, hogy nagy energiafelhasználással járnak, ami rontja a faanyag versenyképességét az egyéb anyagokkal (pl. műanyagok) szemben. Ezen túl gyártásuk során környezetre káros anyagok is keletkeznek, amelyek semlegesítése szükséges. A faanyagvédelem területén a hagyományos védőszerek egyre korlátozottabban felhasználhatók, így folyamatos az igény az új, környezetbarát faanyagvédőszerek iránt is. Ennek megfelelően a kutatás célja, hogy különböző nanovegyületek felhasználásával javítsa a faanyag felhasználás szempontjából fontosabb jellemzőit, mint például a dimenzióstabilitást, a színtartósságot (UV-védelem) vagy a gombaállóságot. A faanyagokkal kapcsolatban az ilyen jellegű vizsgálatok jelenleg ritkák, azonban a műanyagok és textilek esetében több példa is található a nanovegyületek sikeres alkalmazására, ami kisebb módosításokkal átültethető a faanyagokra is. Az eljárások hatékonyságának vizsgálata mellett a hatásmechanizmus vizsgálata is szükséges, melyre különböző analitikai módszerek állnak rendelkezésre (SEM, FT-IR, stb.).

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A faanyagok felhasználása során örök probléma a gombaállóság, a színtartósság valamint a nedvességfelvétel kérdése. Mindhárom jellemző javítására léteznek már eljárások, azonban a nanovegyületek előtérbe kerülésével újabb lehetőségek nyílnak meg. A faanyagvédőszerekkel kapcsolatban egyre inkább elvárás a minél alacsonyabb környezetterhelés. Nanovegyületek segítségével nagyon alacsony koncentrációkkal elérhető kedvező hatás, így a védőszerfelhasználás jelentős mérséklése által csökkenthető a környezetterhelés. A gombaállósággal szorosan összefüggő probléma a faanyag nedvességfelvétele. A nedvességfelvétel mérséklésével a farontó gombák életfeltételei romlanak, vagy meg is szűnnek. A csökkenő nedvességfelvétel a dimenzióstabilitás növekedését is okozza, ami a fából készült szerkezetek élettartamát szintén növeli. A nedvességfelvétel mérséklésére jelenleg drága, és környezeti kockázatoktól sem mentes eljárások léteznek (pl. hőkezelés, acetilezés), a cél pedig ezek kiváltása nagyobb hatásfokú, vagy a környezetre kevésbé veszélyes megoldásokkal. A fából készült termékek előnye a dekoratív szín és mintázat, ami azonban az időjárásnak kevésbé áll ellen. Nanovegyületek alkalmazásával teljes keresztmetszetű védelem alakítható ki, ami az esetleges utólagos sérülésekre nem érzékeny, esetleg tartósabb védelmet is nyújt.
A fent említett problémákra a műanyag- és textiliparban léteznek már megoldások, amelyek megfelelő módosítással átültethetőek a faanyagokra is. A kérdés alapvetően az, hogy milyen hatékonysággal alkalmazhatóak a más területen már bevált nanovegyületek a faanyagok esetében, illetve az időközben előtérbe került új anyagok felhasználhatóak-e a céloknak megfelelően.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A nanovegyületek alkalmazása minden területen egyre nagyobb teret hódít. Faipari alkalmazásuk nem jellemző, holott egyéb tudományterületeken már bebizonyosodott, hogy alkalmazásukkal jelentős előrelépés érhető el a különböző anyagok jellemzőinek javításában. A kutatás ezen anyagok faanyagokra történő alkalmazását teszi lehetővé, hiszen nem hagyhatók figyelmen kívül a vizsgált anyag speciális jellemzői. A más területeken feltárt eredmények nem alkalmazhatók teljes mértékben a faanyag esetében, azok módosítása mindenképpen szükséges a kívánt eredmény eléréséhez. A kutatás során kapott eredmények a faanyagmodifikáció új, eddig kevéssé kutatott területét nyithatják meg, illetve mozdíthatják előre. Jelenleg a nanovegyületek faanyagtudományi összefüggéseinek vizsgálata újszerűségénél fogva még kevéssé kutatott terület, azonban az érdeklődés egyre inkább ebbe az irányba fordul.
Az elért eredmények alapján új ipari eljárások kifejlesztésére is sor kerülhet a jövőben, amelyek által nő a faanyag versenyképessége más anyagokkal szemben. A faanyagok kifejezett előnye pedig, hogy megújuló, CO2 semleges alapanyag, amelynek a feldolgozása, előállítása is jóval kisebb energiaigényű, mint a legtöbb konkurens anyagé (pl. fémek, műanyagok). A megújuló alapanyagok fokozott felhasználásával pedig elősegíthető a fenntartható fejlődés. A tulajdonságok javításával továbbá bővülhet a faanyagok felhasználási területe, valamint kiválthatóvá válnak az értékes hazai és elsősorban trópusi faanyagok olyan, alacsony értékű faanyagokkal, amelyek eddig kedvezőtlen tulajdonságaik miatt nem voltak alkalmazhatók sok területen.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A fenntartható fejlődés egyik fontos eleme, hogy a felhasznált anyagok minél nagyobb arányban származzanak fenntartható gazdálkodásból, illetve megújuló forrásból. Ez utóbbira az egyik legjobb példa napjainkban a faanyag, amely megújuló, CO2 semleges alapanyagként nagy szerepet játszik a gazdaságban és a mindennapokban egyaránt. Ezt jól mutatja az évről-évre növekvő faanyag felhasználás világszerte. Mindezek mellett azonban néhány olyan jellemzővel is rendelkezik a faanyag, amelyek korlátozzák a felhasználását. Ilyen például a gombakárosítókkal szembeni mérsékelt ellenállás, amely részben előny is, hiszen biológiai úton lebomló anyagról van szó, másrészt azonban hátrány, ha ez túl korán következik be. Szintén felhasználást korlátozó tényező, hogy a napsugárzás hatására könnyen megváltozik a színe, valamint hogy a környezetének nedvességváltozását követve változtatni tudja a méretét. E jellemzők javítására léteznek különböző faanyagmódosító eljárások, azonban ezek többnyire nagy energiafelhasználással, és/vagy környezeti kockázatokkal járnak. A nanovegyületek előtérbe kerülése a közelmúltban felvetett néhány új lehetőséget, amely más területeken (műanyag- és textilipar) már bevált az említett jellemzők javítására. Ezen eredmények átültetése a faanyagra olyan eredményeket hozhat, amely tovább bővítheti elsősorban az alacsonyabb értékű, háttérbe szorult faanyagok felhasználhatóságát.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Utilization of wood shows increasing tendency, due to the prosperous properties of wood material. However, utilization is limited by several wood parameters. Several solutions are established already to influence favourable these properties in form of wood modification processes. First of all heat treatments and the acetylation process came into general use, which are nowadays used in industrial scale too. Drawback of these methods is that they have a large energy need, which deteriorates the competitiveness of wood against some other material (e.g. plastics). Furthermore the production of modified wood results in some harmful substances for the environment, which have to be neutralized. The use of conventional wood protecting agents is more and more limited, thus the need for new, environment friendly wood preservatives is continuous. Accordingly, the aim of the planned research is to improve some major properties, like dimensional stability, colourfastness (UV-protection) or decay resistance of wood with the help of nanoparticles. Nowadays, in terms of wood material, the use of nanoparticles is rare, but in case of plastics and textiles are a number of examples for the successful use of nanoparticles. With some minor alterations these knowledge could be interpreted also for wood. Beside the investigation of the treatments’ efficacy the examination of the mechanism with analytical methods (SEM, FT-IR, etc.) is also needed.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

In the course of utilizing wood decay resistance, colourfastness and moisture uptake is a permanent problem. There are several methods to improve these properties, but with the appearance of nanoparticles some new opportunities present itself. The low environment charging is more and more expected against wood preservatives. With the use of nanoparticles very low concentrations can result an advantageous effect, thus environment charging can be reduced by the low amount of preservatives. Moisture uptake of wood is in close connection with decay resistance. By decreasing the moisture uptake of the wood the essential conditions of fungi worsen. The decreasing moisture uptake also results in increasing of the dimensional stability, which also enlarges the service life of constructions made of wood. To decrease moisture uptake there are several methods in use, but these are expensive and have some environmental risks (e.g. heat treatments, acetylation). The goal is to take out these methods with more effective treatments. Some of the advantages of wooden products are the decorative colour and pattern, which are less weatherproof. With the use of nanoparticles a good protection can be achieved in the whole cross-section, which is not sensitive to surface damages.
In terms of plastics and textiles existing already some solutions for the problems mentioned above which could be interpreted also for wood with some minor alterations. The basic issue is what efficiency can be achieved by wood material with the use of nanoparticles, which are already used successful in other fields. Another basic issue is whether some new nanoparticles could be used effective to serve our purposes?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The use of nanoparticles gains ground continually. The use of nanoparticles in wood industry is not revealing although in other scientific fields it was already proved that with its use significant improvement can be achieved in some properties of different materials. This research makes possible the use of nanoparticles for improving some major wood properties considering the special properties of wood. The knowledge obtained by other materials cannot be used completely for wood, some minor alterations are necessary. The results could open a new way for wood modification. Nowadays, the relations of nanoparticles in wood science is less investigated because of its novelty, however this field get more and more attention.
With the obtainable results new industrial processes could developed in the future, which could improve the competitiveness of wood against other materials. The advantage of wood is that it is a renewable, CO2 neutral raw material which processing has much less energy demand than most of the competing material (e.g. metals, plastics). With the increased use of renewable materials the sustainable development is contributed. The utilization field of wood can be enlarged with the improvement of the properties. Furthermore, the valuable European and tropical wood species could be reinforced with low-value wood species, which were until now not able for utilization in some fields because of its unfavourable properties.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

One of the major points of sustainable development is that the materials used should originate a large scale as possible from sustainable economy and renewable sources. Wood is one of the best examples for the latter one, because it is a renewable, CO2 neutral raw material which has an important role in the economy and in the everyday also. It is represented well in the increasing utilization of wood worldwide. Beside of that wood has some unfavourable properties which limit its use. For example the moderate resistance against wood destroying fungi. This is partly an advantage, because wood is a biodegradable material, on the other hand this is a disadvantage if it happens too soon. Another unfavourable property is that woods colour is easily changing because of the sunlight. Woods moisture content is depending on the climatic conditions (temperature and relative humidity) of its environment. This is unfavourable because with the change in moisture content the dimensions of wood are changing also (shrinking/swelling effect). It is possible to improve these properties with some existing wood modification processes, but these have a large energy demand and/or have environmental risks. As recently the use of nanoparticles gained ground, some new possibilities rose for wood modification also, which are in other fields (plastic- and textile industry) successful used already. With some minor alterations these knowledge could be interpreted also for wood and this could enlarge the utilization of low-value wood species, which were until now not suitable in some fields because of its unfavourable properties.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A kutatási pályázatban három fő területre összpontosítottam. Egyrészt a különböző nanorészecskék fa-víz kapcsolatokra gyakorolt hatását tanulmányoztam. Másrészt a kiválasztott nanorészecskéknek a faanyag biológiai ellenállóképességre gyakorolt hatását vizsgáltam, harmadrészt pedig az UV-sugárzással szembeni ellenállóképességre (színtartósságra) gyakorolt hatást. Az egyes kísérletek kivitelezése során lehetőség szerint minél több vizsgálattal próbáltam alátámasztani a kísérleti elképzelést és eredményeket. Sikerült javítani a faanyag méretstabilitását a hidrofobizálás és a sejtüregek eltömítése által a kiválasztott kezelésekkel. Az elért eredmények különösen ígéretesek, ha figyelembe vesszük, hogy a hagyományos eljárásokhoz képest jóval alacsonyabb hatóanyag bevitellel sikerült elérni. A hidrofób jelleg erősítése különösen a fluorinált nanorészecskék alkalmazásával volt kimagasló. A biológiai tartósság növelése szintén több esetben sikeres volt az alkalmazott nanorészecskék segítségével. Több olyan eljárást is sikerült feltárni a vizsgálatok során, amelyek nem csupán növelik a tartósságot, de ellenállók a kimosódással szemben is. Az UV-stabilitás növelésére szintén nagyszámú kísérletet hajtottunk végre. Ennek során a nanorészecskék és vivőanyagok nagy számú kombinációját vizsgáltuk, felületkezeléssel és anélkül. Ennek során szintén több esetben tapasztaltuk az UV-állóság jelentős növekedését mind a kültéri vizsgálatok, mind a mesterséges öregítés során.
Results in English
In the research proposal, I focused on three main areas of my work. On the one hand, I studied the effect of different nanoparticles on wood-water relations. On the other hand, I analyzed the effect of the selected nanoparticles on the biological resistance of the wood, and thirdly, the effect on UV resistance (color durability). As far as possible, I tried to support the experimental concept and results with the help of as many tests as possible. Dimensional stability of wood has been improved by the hydrophobization and the clogging of cell lumens by the selected treatments. The results achieved are particularly promising considering that they are achieved by much lower retention of the active ingredient than conventional methods are using. Strengthening of the hydrophobic character was especially remarkable with the use of fluorinated nanoparticles. Increasing biological durability was also successful in several cases with the use of selected nanoparticles. Several methods have been discovered during the tests, which not only increase durability but also resist leaching. A large number of experiments were also carried out to increase UV stability. In this process, a large number of combinations of nanoparticles and carriers were tested with or without surface treatment. In this case, we also experienced a significant increase in UV resistance during both outdoor tests and artificial aging.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116635
Decision
Yes





 

List of publications

 
Bak Miklós, Németh Róbert: Effect of different nanoparticle treatments on the decay resistance of wood, BIORESOURCES 13 (4) 7886-7899, 2018
Charalampos Lykidis, Miklós Bak, George Mantanis, Róbert Németh: Biological resistance of pine wood treated with nano-sized zinc oxide and zinc borate against brown-rot fungi, EUR J WOOD WOOD PROD 74: (6) 909-911, 2016
Charalampos Lykidis, Miklós Bak, George Mantanis, Róbert Németh: Biological resistance of pine wood treated with nano-sized zinc oxide and zinc borate against brown-rot fungi, European Journal of Wood and Wood Products 74: (6) 909-911, 2016
Bak Miklós, Molnár Ferenc, Németh Róbert: Improvement of dimensional stability of wood by silica nanoparticles, Wood Material Science and Engineering (Online: https://doi.org/10.1080/17480272.2018.1528568), 2018
Bak Miklós, Németh Róbert, Molnár Ferenc: Effect of nanoparticles on the wood-water relations, Pro Ligno 13 (4) 308-315, 2017
Bak Miklós, Molnár Ferenc: Decreasing the hygroscopicity of wood with nanoparticles, In: Svetozar Madjov (szerk.) (szerk.) COST FP1303 - Design, application and aesthetics of biobased building materials. Szófia: Sofia University Press, 2017. pp. 90-91., 2017
Bak Miklós, Molnár Ferenc, Németh Róbert: Improvement of dimensional stability of wood by silica-nanoparticles, In: Vjekoslav Zivkovic, Dennis Jones (szerk.) (szerk.) Building with bio-based materials: Best practice and performance specification. Zágráb: University of Zagreb, 2017. pp. 83-84., 2017
Németh Róbert, Csóka Levente, Bak Miklós: Achievements of nanotechnology in the wood industry, In: Ivana, Radojcic Redovnikovic; Tamara, Jakovljevic; Vlatka, Petravic Tominac; Manuela, Panic; Renata, Stojakovic; Dina, Erdec; Kristina, Radosevic; Visnja, Gaurina Sar, 2018




Back »