Ultrasonic–microwave-assisted impregnation of aspen wood with waterborne epoxy resin: process-structure-property relationships
Questo studio dimostra che combinare l'impregnazione sinergica ultrasuoni-microonde con resina epossidica in emulsione acquosa migliora significativamente le proprietà fisiche, meccaniche e termiche del legno di pioppo canadese, migliorando la penetrazione della resina, riducendo l'assorbimento d'acqua e aumentando la stabilità dimensionale e la resistenza.
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Il legno è un materiale straordinario, costruito dagli alberi per essere forte ma leggero, ma ha un difetto fondamentale: ama l'acqua. Poiché il legno è composto da minuscole cellule cave collegate da canali microscopici, agisce come una spugna, assorbendo l'umidità dall'aria e rilasciandola quando l'aria si secca. Questa continua respirazione causa il rigonfiamento del legno quando è umido e il suo restringimento quando è asciutto. Nel tempo, questa ripetuta espansione e contrazione porta a deformazioni, crepe e una perdita di integrità strutturale, limitando dove il legno può essere utilizzato nella costruzione e nella produzione. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di risolvere questo problema trattando il legno con sostanze chimiche che respingono l'acqua o riempiendo i suoi pori con resine sintetiche. Tuttavia, molti di questi trattamenti tradizionali si affidano a solventi organici aggressivi che rilasciano vapori nocivi nell'ambiente, creando un conflitto tra il rendere il legno durevole e il proteggere l'aria che respiriamo.
Un team di ricercatori della Nanjing Forestry University e della Chinese Academy of Forestry ha sviluppato un nuovo approccio che mira a risolvere entrambi i problemi contemporaneamente. Si sono concentrati su un tipo specifico di legno, l'pio canadese, e lo hanno trattato con una resina epossidica a base acquosa, una sostanza appiccicosa e simile alla plastica che viene solitamente miscelata con acqua invece di solventi tossici. La sfida era far penetrare questa miscela acquosa profondamente nella rete minuscola e complessa delle cellule del legno, senza che rimanesse semplicemente sulla superficie. Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno combinato due potenti forze fisiche: le onde sonore e l'energia delle microonde. Hanno utilizzato suoni ad alta frequenza per agitare il liquido e aiutarlo a muoversi, mentre utilizzavano contemporaneamente le microonde per riscaldare l'acqua all'interno del legno, creando una pressione interna che spingesse la resina più in profondità nel cuore del materiale.
Il processo è iniziato immergendo campioni di legno in soluzioni contenenti diverse quantità di questa resina a base acquosa, che variavano da nessuna concentrazione fino al venticinque percento. I campioni sono stati poi inseriti in una macchina speciale che prima li ha colpiti con ultrasuoni per dieci minuti, seguiti da venti minuti di riscaldamento a microonde che ha scaldato il liquido a novanta gradi Celsius. Dopo questo trattamento intenso, il legno è stato mantenuto sotto vuoto per estrarre ancora più resina nei suoi pori, asciugato con cura e infine cotto ad alta temperatura per indurire la resina all'interno. I risultati sono stati sorprendenti. All'aumentare della concentrazione di resina, il legno è diventato significativamente più pesante e denso, con la concentrazione più alta che ha aggiunto quasi il quaranta per cento al peso del legno. Questo peso extra deriva dalla resina che riempie gli spazi vuoti all'interno delle cellule del legno e si lega alle pareti cellulari.
Le modifiche più importanti, tuttavia, riguardano il modo in cui il legno si comporta quando esposto all'acqua e allo stress. Il legno trattato ha assorbito molta meno acqua rispetto al legno non trattato e ha resistito al rigonfiamento e al restringimento che solitamente affliggono il legname. Nei campioni con il più alto contenuto di resina, la tendenza del legno a gonfiarsi in direzione radiale è stata ridotta di quasi la metà, e la tendenza a restringersi tangenzialmente è scesa del trenta per cento. Ciò significa che il legno è rimasto molto più stabile nelle dimensioni, anche al variare dell'umidità. Il materiale è diventato anche più forte. La capacità del legno di flettersi senza rompersi è migliorata di quasi il trenta per cento, e la superficie è diventata molto più dura, particolarmente quando viene pressata dalla sezione di testa. La superficie è anche diventata più idrorepellente, facendo sì che le gocce d'acqua si formassero in perle invece di assorbirsi, sebbene questo effetto sembrasse raggiungere un limite una volta che una piccola quantità di resina copriva la superficie.
Per capire esattamente cosa stesse accadendo all'interno del legno, i ricercatori hanno osservato il materiale sotto potenti microscopi e ne hanno analizzato la composizione chimica. Hanno scoperto che il trattamento non ha distrutto la struttura naturale del legno, ma piuttosto ha rivestito l'interno delle sue cellule e riempito alcuni dei vuoti più grandi con uno strato di resina liscio e indurito. Alle concentrazioni di resina più basse, questo rivestimento era sottile e irregolare, ma all'aumentare della concentrazione, la resina ha formato strati più spessi e continui che rivestivano le pareti cellulari e riempivano parzialmente i centri cavi. I test chimici hanno confermato che la resina aveva reagito e si era indurita con successo all'interno del legno, creando una nuova rete stabile che interagiva con le fibre naturali del legno. Il trattamento termico utilizzato per polimerizzare la resina ha inoltre reso il legno più resistente alla combustione, poiché ha iniziato a decomporsi a temperature più elevate rispetto al legno non trattato.
Lo studio dimostra che è possibile creare legno ad alte prestazioni utilizzando un sistema pulito a base acquosa, a condizione che la resina possa essere spinta nelle profondità del materiale. La combinazione di suono e calore si è rivelata un modo efficace per forzare la resina liquida nei recessi più profondi del legno, dove potesse indurirsi e rinforzare la struttura dall'interno verso l'esterno. Questo metodo suggerisce una strada percorribile per la creazione di prodotti in legno durevoli e dimensionalmente stabili senza fare affidamento sui solventi volatili che da tempo sono un pilastro del settore. Dimostrando che una resina a base acquosa può essere integrata con successo nel legno utilizzando l'energia fisica, i ricercatori hanno mostrato che il futuro della modifica del legno può essere sia più forte che più pulito.
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