Thermowood
Hittebehandeld hout
Al in de jaren 70 heeft men ontdekt dat hout behandeld bij hoge temperatuur een belangrijk voordeel biedt, het krijgt nl. een hogere ‘natuurlijke’ duurzaamheid.
Vandaag is het accent echter ook komen te liggen op het verbeteren van de vormstabiliteit, want daardoor wordt het zwel-krimpgedrag en debijbehorende tendens tot vervorming door vochtwisselingen verbeterd.
Wat is hittebehandeling?
Hout behandeld bij hoge temperatuur om een betere vormstabiliteit te bekomen is niet nieuw. Burmester publiceerde in 1973 al de basisprincipes van wat hij het FWD-proces (Feuchte Wärme und Druck) noemde. Het betreft eigenlijk een gecontroleerde pyrolyse van hout waarbij het wordt verhit (180 °C) in afwezigheid van zuurstof (O2), zodat chemische wijzigingen optreden. Er worden hiervoor verschillende routes gevolgd, waarbij niet enkel het temperatuurtraject maar ook denatmosfeer waarin gewerkt wordt kan verschillen: stikstofgas, stoom,... Deze opties hebben vanzelfsprekend gevolgen voor de manier waarop het hout kan opgewarmd worden. Zo kan ook gebruikgemaakt worden van hete olie als medium.
Hout bestaat vooral uit cellulose (glucosepolymeer) en lignine polyfenolpolymeer), maar ook gedeeltelijk uit hemicellulosen (polymeren van verschillende suikers). Hoge temperatuurbehandeling beoogt vooral op de hemicellulose in te werken en gedeeltelijk ook de lignine te herstructureren. Dergelijke omzettingen gebeuren bij dermate hoge temperaturen dat de aanwezigheid van zuurstof onherroepelijk aanleiding geeft tot oxidatie en zelfs tot zelfontbranding. Polymeren, zoals hemicellulosen en lignine, hebben een glastransitietemperatuur waarboven ze soepel en flexibel worden. Deze toestand, in combinatie met een reeks chemische omzettingen, geven aanleiding tot nieuwe chemische structuren en herpolymerisatie.
Waarom hittebehandeld hout?
Het hittebehandeld hout zal verschillen in eigenschappen naargelang de procesvoering, maar beoogt vooral de twee belangrijkste tekortkomingen van hout als biologisch materiaal te verbeteren. Eerst is er de iodegradeerbaarheid die kan aangepast worden in functie van de toepassing en de verwachte gebruiksduur. Hittebehandeld hout wordt daarom wel eens beschouwd als een nieuwe houtsoort met een ‘natuurlijke’ duurzaamheid vergelijkbaar met bijvoorbeeld tropische loofhoutsoorten. Veelal wordt de weerstand tegen houtrot als belangrijkste criterium gebruikt voor bovengrondse toepassingen in buitenklimaat. Bij gebruik in grondcontact bepalen ook zachtrotschimmels mee hoe lang een element functioneel blijft. Hoewel er meerdere positieve indicaties zijn voor hittebehandeld hout van een verhoogde weerstand tegenover deze aantastingen, lijkt dit naar de toekomst niet de primaire doelstelling te worden. Veelal wordt uitgekeken naar toepassingen waar ook een verbetering van dimensionele stabiliteit een belangrijke rol speelt. Door de chemisch-fysische wijzigingen van het hout wordt inderdaad een tweede tekortkoming van hout, namelijk zijn zwel-krimpgedrag en bijbehorende tendens tot vervorming tengevolge vochtsorptie verbeterd. Technologisch wordt deze verbetering veelal uitgedrukt door middel van een ASE-waarde. Deze ASE (Anti Shrink/Swelling Efficiency) drukt uit in welke mate het behandelde hout minder zwelt of krimpt dan het uitgangsmateriaal. Courant worden hier waarden in de buurt van 50% gehaald.
Gebruikte technologie en behandelingsmethoden
Voor bepaalde procesvoeringen kan gebruik gemaakt worden van omgebouwde droogovenapparatuur. Sommige processen vereisen het gebruik van vacuümdruk-impregneerinstallaties die kunnen werken bij verhoogde temperatuur, vergelijkbaar met creosoteerinstallaties. Stoombehandelingen behoeven dan weer specifieke apparatuur. Naargelang het land waar de opschaling van de basisprocessen plaatsgreep werden verschillende uitvoeringen van hoge temperatuurbehandeling ontwikkeld.
Thermowood
In Finland hebben verschillende bedrijven zich wat kwaliteitsbeheersing en informatieverstrekkingbetreft verenigd onder het label ThermoWood. De Finse producten verhandelt onder het merk ThermoWood worden verkregen door een behandeling onder hoge temperatuur en door gebruik te maken van waterstoom in aangepaste droogovens. Het proces werd op punt gesteld door VTT in Espoo. Enkele voorbeelden van bedrijfsnamen die hittebehandeld hout uitvoeren zijn: Finnforest, Stellac Wood, Stora Enso, UPM-Kymmene (meer details op de website van ThermoWood).
Plato
In Nederland werd, uitgaande van bevindingen bij Shell, gewerkt aan een gefaseerde procesvoering,beter bekend onder de commerciële benaming Plato Het Nederlandse Plato-proces bestaat uit 4 verschillende fasen:
1) een hydro-thermolyse : In de inleidende hydro-thermolyse wordt het hout verhit tot 150°C -180°C in een verzadigde omgeving bij een verhoogde druk. Tijdens deze eerste stap vindt de selectieve conversie van twee belangrijke componenten in het hout plaats (hemicellulose en lignine) welke verder worden omgezet in de derde stap. Zo wordt hemicellulose omgezet inaldehydes en worden enige organische zuren gevormd. De cellulose blijft nagenoeg intact, wat cruciaal is voor de goede mechanische eigenschappen van het behandelde hout.
2) een droogfase in conventionele industriële houtdrogers (condensatiedrogers).
3) een polymerisatiefase (of curingfase): het hout wordt opnieuw verhit tot 170°C-190°C, maar onder droge omstandigheden. Tijdens deze fase treden de condensatie en vernettingsreacties op: de gevormde aldehydes reageren met geactiveerde lignine moleculen tot apolaire (waterafstotende) verbindingen en dit leidt tot een verdere vernetting van het lignine complex.
4) een conditioneringsfase in conventionele industriële droogkamers tot gebruiksvochtgehalte.
Bois rétifié
Ook in Frankrijk zijn al geruime tijd initiatieven tot opschaling lopende waarvan verschillende gebaseerd zijn op de bevindingen in ‘L’école des mines de St-Etienne’. Deze processen worden uitgevoerd onder stikstofatmosfeer en veelal bij een iets hogere temperatuur dan het geval is in Finland. De behandeling verloopt bij temperaturen tussen 200 en 240°C en vindt plaats in een afgesloten omgeving, in afwezigheid van zuurstof. Een meer algemene benaming in Frankrijk is Bois rétifié en bepaalde patenten worden er beheerd door het bedrijf NOW (New Option Wood). Een eenvoudige beschrijving van dit proces omvat volgende aspecten:
1) bij de hittebehandeling gaan de hemicelluloses zich afscheiden en verdampen.
2) door thermocondensatie fixeren ze zich op de lignine, waardoor zij nieuwe moleculaire verbindingen gaan vormen. De temperatuur moet streng in acht worden genomen om de mechanische eigenschappen van het hout niet te schaden.
3) overigens bekomt men bijproducten, zoals azijnzuur, furfural, methanol en CO2.
De term “geretificeerd” is een nieuwe term ontstaan door samentrekking van “retificatie” (herschikking van bepaalde moleculaire kettingen onder invloed van warmte) en van het Franse “torréfaction” (branden), en wordt stilaan de gebruikelijke benaming voor behandelingen van hout onder hoge temperatuur. Het merk "Bois rétifié" is gedeponeerd, net als alle woorden die de stam "RETI" gebruiken, voor zover zij betrekking hebben op een procédé op basis van hout. De namen RETIBOIS, RETITECH, RETIMAC, HTT staan voor bedrijven die volgens dit procédé werken.
Verder werden in Frankrijk (CIRAD, Montpellier), maar ook in Duitsland (BFH, Hamburg & Menz-Holz) al enkele opschalingen gerealiseerd waarbij het hout opgewarmd wordt in olie. In Canada en Oostenrijk zijn er ook initiatieven, maar het is niet steeds duidelijk of hier echt opschaling binnen de bedrijven wordt beoogd of eerder de verkoop van technologie. Ten slotte zijn er nog enkele nieuwe procesontwikkelingen in onderzoek, onder andere in de opschalingsfase, waaronder sommige wellicht binnen afzienbare tijd tot industriële productie zullen overgaan.
Welke houtsoorten ?
Alle houtsoorten komen in principe in aanmerking voor hittebehandeling. De chemische en anatomische verschillen tussen loofhout en naaldhout maken de procesvoeringen wel verschillend. Verder is het vanzelfsprekend dat fouten in het uitgangsmateriaal, zoals kwasten, tot uiting zullen komen in het eindproduct. Het hout moet in de eerste fase droog zijn of in elk geval voorgedroogd worden. Een versterking van initiële fouten, evenals het risico tot optreden van droogfouten,vereisen een processturing in functie van de gewenste eindkwaliteit en toepassing. Naaldhoutsoorten en lichte loofhoutsoorten, zoals populier en esp, die hiervoor meestal minder problematisch zijn, krijgen de voorkeur. Snelgroeiende en makkelijk te drogen naaldhoutsoorten, zoals radiata pine, zijn aanzienlijk eenvoudiger te behandelen dan bijvoorbeeld ringporige loofhouthoutsoorten. Maar zelfs indien er gewerkt wordt met uniform materiaal – één houtsoort/ één dimensie– zal de variabiliteit in volumegewicht (densiteit), foutfrequentie, algemene houtkwaliteit en het houtvochtgehalte aanleiding geven tot mogelijks belangrijke verschillen in eindkwaliteit tussen individuele balken of planken.
Processturing
De meeste producenten van hittebehandeld hout beweren perfecte controle te hebben over hun proces en in staat te zijn eindproducten af te leveren met gerichte eigenschappen. Het feit dat regelmatig gewezen wordt op bepaalde tekortkomingen in die zin, maakt nogmaals duidelijk dat een goede processturing van uitermate groot belang is. Het houtvochtgehalte bij aanvang en het droogproces vormen een eerste basis. Verder is het vanzelfsprekend dat de bereikte temperatuur, evenals de manier van opwarmen en afkoelen, hun belang hebben. Niet in het minst moet rekening gehouden worden met de interactie met het houtvochtgehalte en met krimp en vervorming van het hout, maar ook met de dimensie van het te behandelen materiaal. Vooral bij grotere dimensies zullen buiten- en binnenkant de hoogste temperatuur bereiken op een ander moment en voor een verschillend tijdsinterval. Waar bij conventionele droogprocessen veel aandacht uitgaat naar de uniformiteit van de behandeling, o.m. door stabiele luchtstroom met specifieke temperatuur en luchtvochtigheid, mag verondersteld worden dat dit nog belangrijker wordt wanneer aanzienlijk hogere procestemperaturen worden bereikt. De uniformiteit van het proces in de installatie is inherent aan het kritische temperatuurverloop. Verschillen in de globale procesparameters worden beschouwd als de instrumenten om materiaal te produceren met verschillende eigenschappen. Zo wordt in Finland een onderscheid gemaakt tussen de klasse Thermo-S, welke staat voor stabiliteit en de klasse Thermo-D gericht op biologische duurzaamheid.
Tekst: Prof. Dr. ir. Joris Van Acker & Prof. Dr. ir. Marc Stevens, Laboratorium voor Houttechnologie (Universiteit Gent)
Woodforum,
‘Hittebehandeld hout’, internet, opgeroepen op 11 november 2015 http://www.woodforum.be/sites/woodforum.salusa.ind...
