TRATTAMENTO DI MODIFICA CHIMICA: un approccio ecologico alla preservazione del legno

Terza parte dello speciale focus dedicato al legname da costruzione ad uso strutturale. La conservazione del legno ed i trattamenti preservanti non tossici. Un approccio ecologico alla preservazione.

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Il legname da costruzione, per via della sua natura organica, è soggetto a fenomeni di degrado biologico, con grado e intensità secondo le condizioni d’uso e la relativa esposizione alle intemperie ed al sole. Nel passato, questi limiti erano superati impiegando legni duri ad elevata durabilità, come il cedro o il cipresso (in Giappone), o rivolgendosi verso i legnami tropicali. Oggi, per via di problematiche ambientali legate alla deforestazione da una parte e alla disponibilità del materiale dall’altra, è ormai diffusa abitudine impiegare legnami dolci di conifera. Questo significa, laddove si necessita di garantire una lunga durata del manufatto, dover ricorrere ad una serie di espedienti per proteggere il legno, aumentandone la durabilità naturale.

Ricordiamo i principali agenti di degrado biologico del legno:

  • Agenti atmosferici: acqua e radiazione solare (raggi UV)
  • Organismi xylofagi: insetti e funghi
  • fuoco

I trattamenti preservanti hanno la funzione di difendere il legno dai principali agenti di degrado: funghi, insetti e organismi marini e fuoco. E lo fanno con due specifiche azioni:

  • riducono la capacità di imbibizione del legno (igroscopicità)
  • annientano i nutrienti per funghi ed insetti

In questa sede analizzeremo i metodi più diffusi, tra presente e passato, dando spazio a quelle soluzioni a basso impatto ambientale, ecologiche e salubri. Trattamenti innovativi e sostenibili. Con uno sguardo attento e vigile al futuro.


La conservazione del legno secondo tradizione

Il tema della conservazione e protezione del legno è da sempre oggetto di grande interesse, fin dai tempi antichi. All’inizio l’uomo non si preoccupava del degrado del legno poiché gli edifici non avevano carattere di permanenza ed il legname di ricambio era di facile accesso. Il primo esempio documentato, di trattamento preservante è attribuibile a Noè che, quando costruì l’Arca venne istruito da Dio “Fatti un’arca di legno di cipresso; dividerai l’arca in scompartimenti e la spalmerai di pece dentro e fuori” (Genesi 6:14). Oli, pece e catrame erano usati fin dal principio.

Erodoto (ca. 484-430 a.C.), considerato da Cicerone il <<Padre della Storia>>, descriveva il modo di conservazione più antico ed efficiente della materia organica: l’arte della mummificazione egizia. I corpi erano immersi in Natrum (o natron) – una soluzione di sesquicarbonato di sodio, cloruro e solfato – per 70 giorni, infine venivano immersi in una sostanza oleosa o bituminosa che era scaldata aldisopra del punto di ebollizione dell’acqua. Questo ha permesso che l’umidità contenuta nelle ossa volatilizzasse per essere sostituita dall’olio: è stata infatti rilevata la presenza di questa sostanza bituminosa penetrata dentro alle ossa. Boulton, applicò questo processo al legno a metà del XIX secolo – boultonizing – e aprì la strada ai trattamenti impregnanti moderni.

Gli egiziani non erano i soli ad utilizzare sali metallici: in tempi antecedenti al I sec. a.C., i cinesi usavano immergere il legname in acqua di mare prima dell’impiego come materiale da costruzione

I Romani ed i vichinghi spazzolavano il legno con catrame per proteggere gli scavi delle loro navi. Come succede ancora oggi per i pali conficcati nel terreno. Plinio il Vecchio (23–79 d.C.), perito nell’eruzione del Vesuvio, narrava che l’amurchia (morchia o feccia dell’olio) – sottoprodotto residuo della lavorazione dell’olio d’oliva, insieme agli oli di cedro, larice e ginepro erano usati come preservanti naturali contro il decadimento del legno. Si dice che questa usanza venne copiata da Alessandro Magno (356-323 a.C.) che, in occasione della costruzione di un ponte fece cospargere il legname con olio d’oliva per preservarlo dal degrado.

L’industria navale, in particolare quella britannica, con le sue problematiche legate al veloce deterioramento delle sue strutture lignee, fu da forte impulso per una nuova era di conservazione del legno basata su prodotti chimici. L’ Encyclopaedia Britannica, che era il catalizzatore di tutti i saperi dell’epoca, riporta i primi “ricettari” di conservanti consolidati redatti nel 1770 da Sir John Pringle e dal dott. Macbride. Nel 1842 furono stabiliti cinque preservanti: cloruro di mercurio, solfato di rame, cloruro di zinco, solfato di ferro e creosoto. Il solfato di rame possiede note proprietà antisettiche ma, – come altri sali metallici – è altamente solubile in acqua e quindi non idoneo all’uso in ambienti umidi.

Il XIX secolo grazie alla rapida espansione delle ferrovie, ha prodotto un ulteriore interesse per la protezione del legno. Per sostenere le rotaie si utilizzano traverse in legno, flessibili e capaci di assorbire le vibrazioni, rispetto ai rigidi blocchi in pietra.

Le traversine ferroviarie, trattate con olio di creosoto – prodotto della distillazione di legna o catrami minerali – hanno dimostrato, nel tempo, un’elevata durabilità al contatto col terreno e umidità. Perciò ne sono impregnati i pali che sostengono i cavi delle telecomunicazioni e dell’energia elettrica. E’ stato ipotizzato l’uso dello stesso come preservante chimico anche dal Prof. Guglielmo Giordano nel progetto per il Magazzino a Vallombrosa (Luca Uzielli, p.5). Del creosoto, che oggi sappiamo essere cancerogeno a tutti i livelli, ne è stato fatto un largo uso, come trattamento preventivo, per oltre un secolo.

Negli ultimi anni, la normativa Europea ed internazionale si è fatta portavoce di una sensibilità ambientale sempre più dilagante. Questo ha generato un movimento di ricerca e sperimentazione volto a rinnovare in campo ecologico, prodotti ed applicazioni atte ad aumentare la durabilità del legno, salvaguardando l’ambiente e la salute umana. Preservanti non tossici che possono essere smaltiti in modo naturale senza rischi.


Principi di conservazione

L’uso di trattamenti preservanti è buona prassi da riservare come ultima opzione. In primis andrebbero adottate alcune pratiche e scelte in sede progettuali atte a garantire la più lunga durata possibile al manufatto.

Se vogliamo evitare che il legname marcisca a causa dei funghi, basterebbe mantenere il legno asciutto. Per evitare un attacco da parte di coleotteri e tarli spesso è sufficiente utilizzare solo la parte di tronco più resistente o durame. Per le termiti basterebbe trovarsi in una zona geografica a loro sfavorevole. In ogni caso, utilizzare una specie legnosa durevole (vedi articolo) come i legnami tropicali dà una certa garanzia di durata nel tempo. Tutte condizioni difficili da ottenere contemporaneamente.

In base alla situazione di utilizzo – la normativa distingue 5 classi – andrebbe scelta la specie legnosa con adeguata durabilità naturale. Per avere un quadro normativo esauriente circa la scelta della specie legnosa in funzione della durabilità e della situazione di utilizzo specifica, vi rimando a quest’articolo specifico.

Spesso, a guidare la scelta, non sono criteri di durabilità naturale ma di convenienza economica e/o disponibilità locale del legname. È soprattutto in questi casi, che i trattamenti sono indispensabili.

Biocidi, ambiente e normativa

Le preoccupazioni ambientali hanno generato negli ultimi decenni una legislazione sensibile all’inquinamento, rispetto all’uso e al rilascio di sostanze nocive in fase di esercizio, ma soprattutto una grande novità è l’attenzione all’intero ciclo di vita (LCA) e quindi anche lo smaltimento dei legnami trattati con biocidi. Ciò ha causato inevitabilmente forti restrizioni all’uso di alcuni prodotti tossici e nocivi per il binomio uomo/ambiente, in particolare creosoto e CCA (cromo, rame, arsenio) per il suo contenuto di arsenico, sono considerati pericolosi per la salute.

L’UE, al fine di limitare l’uso e l’immissione sul mercato di alcuni tipi di legno trattato con biocidi di comprovata tossicità, ha promosso normative volte alla restrizione delle sostanze chimiche tossiche (REAC). (Regolamento Ue sui biocidi n. 528/2012).


TRATTAMENTI RADICALI: IL LEGNO MODIFICATO

Esistono alcuni trattamenti che modificano la struttura chimica del legno, alterando in modo permanente la struttura delle pareti cellulari. Questi includono metodi come il trattamento termico (HT), l’acetilazione, la furfurilazione e l’innesto di polimeri.

La modifica del legno è un mezzo per alterare il materiale e migliorare uno o più dei suoi difetti.

Lo scopo è quello di determinare un miglioramento della resistenza al decadimento o della stabilità dimensionale, ridurre l’assorbimento di acqua, migliorare le prestazioni degli agenti atmosferici, mediante l’applicazione di sostanze non tossiche. (Hill, 2006)

legno modificato
Effetti della modifica chimica del legno (Emil Engelund Thybring, University of Copenhagen, Denmark)

 

Le varie modalità di interazione, schematizzate nella figura in alto, sono:

  • Bulking: riempire le pareti cellulari con legami chimici (Es. acetilazione)
  • Cross-linking: reticolazione con una sostanza chimica disfunzionale
  • Thermal: trattamento termico

Tutti i trattamenti vanno a modificare l’interazione legno-acqua, attraverso la reazione chimica con un reagente ed i gruppi idrossilici (OH) polimerici della parete cellulare del legno. Vediamo i principali.


Trattamento TERMICO (HT)

È il più vecchio e diffuso trattamento di modifica: una sua variante, conosciuta fin dall’antichità, consisteva nel bruciarne la superficie esterna: carbonatazione o Shou Sugi Ban (in Giappone).

Un trattamento di tipo fisico che va a modificare la struttura molecolare del legno con l’ausilio di alte temperature, senza uso di prodotti chimici. Il riscaldamento del legno modifica permanentemente molte delle sue proprietà chimiche e fisiche. Il cambiamento nelle proprietà è principalmente causato dal degrado termico delle emicellulose.

All’interno di un grosso forno cilindrico, la temperatura viene portata sopra la soglia dei 165°, oltre la quale, in assenza di ossigeno, si innesca il noto processo di pirolisi: i legami chimici del materiale si scindono in molecole più semplici.

Il legname, così trattato, diventa più compatto e stabile, meno igroscopico e permeabile e assume una tonalità più scura, ambrata. Ha una maggiore durabilità alle intemperie e può essere adoperato per usi esterni. L’esposizione alle alte temperature ne migliora anche la resistenza agli attacchi degli organismi xylofagi: il loro nutrimento, cioè gli zuccheri contenuti nelle emicellulose, vengono infatti eliminati con le alte temperature.

A fronte di una migliorata durabilità alle intemperie, maggior stabilità dimensionale e idrorepellenza, il legno deve cedere il passo sul fronte delle caratteristiche meccaniche: la resistenza a spaccatura si riduce del 50%, quella a flessione del 20%. Questo significa che il legno termotrattato o TMT (Thermally Modified Timber) – come viene chiamato comunemente – non è idoneo ad utilizzi di tipo strutturale, ma si presta benissimo all’uso in ambienti esterni: rivestimenti di pareti e coperture, telai e finestre, passerelle e decking esterni, pergolati.

Il processo, che dura 36/40 ore può essere applicato su tutte le specie legnose, sia conifere che latifoglie.

Come risultato delle modifiche chimiche indotte termicamente ai componenti macromolecolari, le proprietà fisiche e biologiche del legno vengono alterate. Queste modifiche includono quanto segue:

  • miglioramenti nella stabilità dimensionale, a seconda delle condizioni di trattamento;
  • ridotta igroscopicità (diminuzione dell’EMC a un dato UR e ridotta bagnabilità);
  • migliore resistenza all’attacco microbiologico;
  • una riduzione della resistenza all’impatto, del modulo di rottura e del lavoro alla frattura;
  • ridotta resistenza all’abrasione;
  • una tendenza alla formazione di crepe e fessure, allentamento dei nodi e così via;
  • un oscuramento del colore del materiale.

Esistono vari processi di modifica termica che usano mezzi diversi tra cui azoto, vapore e olio caldo: “Thermowood” (o legno Premium) in Finlandia, “Retification” (Retiwood, New Option Wood) e “Les Bois Perdure” in Francia, “Platowood” in Olanda, “Oil-Heat Treatment” in Germania (OHT).

Di recente si è aggiunto alla lista un nuovo processo – di matrice italiana: nato da una ricerca del CNR Ivalsa – che combina la tecnologia del trattamento termico con il sottovuoto: Termovuoto, commercializzato con il nome VacWood®.


ACETILAZIONE

L’acetilazione, tecnica nota e studiata da oltre 80 anni, è un processo chimico che va a modificare la struttura legno, migliorandone le caratteristiche fisiche e meccaniche.

Implica la reazione del legno con l’anidride acetica: i gruppi di idrossili liberi presenti in natura nel legno (-oh), che assorbono e rilasciano acqua, causando il restringimento e il rigonfiamento del legno e la suscettibilità al decadimento, vengono sostituiti da gruppi acetilici (più stabili e idrofobi) non tossici. Di conseguenza, la stabilità e la durata del legno aumentano in modo significativo. A differenza dei classici trattamenti con biocidi, è completamente atossico: il sottoprodotto di questo processo è l’acido acetico, altrimenti noto come aceto nella sua forma diluita, che viene riutilizzato in una vasta gamma di settori.

Accoya®, dal 2007, è un legname prodotto e commercializzato secondo questo trattamento. Il risultato è un legno ad alta resistenza e durabilità: è certificato classe 1 di resistenza ai funghi e garantito 50 anni in uso esterno al contatto col terreno. Inoltre, non rilascia tossine: il residuo di acido acetico dopo la lavorazione è infatti ben al di sotto dei limiti consentiti dalla normativa europea.

acetilazione processo chimicoIl processo avviene per riscaldamento termico (anche se sono studiati alternative energetiche a microonde). La produzione del legno acetilato prevede le seguenti fasi:

  • Il legname, segato grezzo, viene imbevuto di anidride acetica
  • Una reazione chimica, che modifica le proprietà del legno, ha luogo nella parete cellulare
  • L’anidride acetica residua e i prodotti della reazione vengono rimossi dal legno
  • Il legno acetilato è di qualità controllata
  • L’anidride acetica viene riciclata e utilizzata in futuri lotti di produzione
  • Il principale sottoprodotto, l’acido acetico, viene venduto come materia prima per altre industrie

accoya processo produttivo

Le specie più utilizzate sono il Pino (Radiata e Silvestre) e il Faggio, ma possono essere utilizzate tutte le specie legnose sia conifere che latifoglie, avvicinandone le prestazioni ai ben più pregiati legnami esotici. A costi, economici e ambientali, di gran lunga più sostenibili.

Benefici:

  • stabilità dimensionale
  • riduzione igroscopicità
  • aumento durabilità (classe 1)

FURFURILAZIONE

La furfurilazione è un processo chimico innescato dalla reazione del legname con l’alcool furfurilico (ottenuto dagli scarti vegetali): modifica in modo permanente le pareti cellulari del legno, conferendogli le caratteristiche meccaniche, di durabilità e un ricco color marrone, tipiche dei legni duri tropicali.

Kebony®, è un processo ecologico e brevettato che migliora le proprietà del legno tenero sostenibile con un liquido a base biologica. La tecnologia Kebony® modifica il legno formando polimeri furanici fissi e bloccati nelle pareti cellulari delle sue fibre. Questi, aumentano la stabilità dimensionale, nonché la durata e la durezza del legno. Il processo si basa sull’impregnazione con alcool furfurilico, prodotto da rifiuti agricoli.

Kebony processo trattamento furfurilazione

Rispetto al legno vergine:

  • la rigidità è migliorata del 10-20%
  • la durezza è migliorata del 30-50%
  • la stabilità dimensionale è migliorata del 50%

Rimane pressoché invariata la resistenza a flessione.


SILICIO

Il silicio è abbondante in natura: costituisce un quarto (27,5%) della crosta terrestre.

La tecnologia di OrganoWood® si basa sulla modifica del legno per fornire una protezione efficace contro marciume, fuoco o acqua e umidità. Le fibre vengono cambiate a livello molecolare, usando composti di silicio non tossici. Il processo di fossilizzazione naturale viene accelerato utilizzando catalizzatori per incoraggiare i composti del silicio a legarsi con le fibre di legno. In pratica, viene creata una barriera fisica che impedisce ai funghi di mangiare le fibre di legno.

organowood silicio trattamento preservante ecologico

Poiché i fossili (silicio) sono anche non combustibili, con questo trattamento si ottengono anche proprietà ritardanti di fiamma efficaci.

Il trattamento conferisce al legno proprietà superidrofobiche che mantengono basso il contenuto di umidità superficiale del legno, il che è importante nel ridurre il rischio di crescita di funghi e muffe.


DMDHEU

Una ricerca del Prof. Holger Militz (uno dei massimi studiosi nel campo dei trattamenti preservanti) ha prodotto la combinazione della resina DMDHEU (1,3-dimetilol-4,5-diidrossietilene urea) – originariamente impiegata nel campo del tessile fino agli anni 80 – con il legno. Il legname, così impregnato ad un temperatura di circa 100 °C, è risultato avere una maggiore stabilità dimensionale e resistenza biologica. Da alcuni anni è commercializzato da Basf col nome di Belmadur.

Il trattamento con DMDHEU è stato efficace, nel periodo testato (30 mesi) per aumentare la resistenza del legno contro la degradazione fungina e l’attacco della termite durante i test sul campo secondo EN 252. 

Proprietà meccaniche

  • La resistenza alla flessione è invariata
  • Modulo di elasticità invariato
  • Resistenza a compressione aumentata del 30-50%
  • La resistenza all’urto è ridotta
  • Abbraccio del legno causato dal processo di modifica
  • Durezza superficiale aumentata del 35%

Compositi plastici in legno (WPC o wood plastic composite)

I WPC sono composti per il 50-60% da fibre / particelle di legno e polimero termoplastico. Uniscono la bellezza del legno alla forza della plastica. Il risultato è un prodotto resistente ai raggi UV, agli agenti atmosferici e non temono attacchi di organismi xylofagi.

Trattamenti Idrorepellenti

Oli naturali e minerali, cere, siliconi e silani sono diversi agenti idrofobici utilizzati per impregnare il legno al fine di conferire idrorepellenza (Donath et al. 2006).

Oli naturali e resine melamminiche hanno la capacità di mutare la natura della parete cellulare del legno da idrofila a idrofoba. Ne consegue un ridotto assorbimento di acqua e una superficie dotata di proprietà idrorepellenti.


Ricerca e scenari futuri

La ricerca nel settore dei preservanti va avanti. Al momento sono diversi i settori dove le energie sono concentrate e si intravedono una pluralità di scenari per il prossimo futuro.

Un campo molto battuto è incentrato sull’osservazione della natura del legno. Si cerca di capire la relazione tra la durabilità naturale di alcune specie legnose ed i fattori comuni. In particolar modo l’attenzione è focalizzata sui particolari estrattivi del legname, quelli che conferiscono durabilità al materiale. Dalle specie tropicali, alla robinia e al cipresso, la scommessa è trasferire quei caratteri a specie meno durabili quali l’abete.

Le piante e gli alberi, infatti, possiedono numerosi componenti ed estratti come terpeni, alcaloidi, flavonoidi, glicosidi, stilbeni, esteri, fenoli, polifenoli, alcoli e sostanze solubili in acqua, noti per le loro proprietà antibatteriche e antimicotiche. La natura e la quantità di estratti influenzano la durata delle specie arboree.


Bibliografia:

 

ilcarpentiere

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