Efficacy of wollastonite-enriched acrylic coatings against fungal decay in non-treated and thermally-modified wood

Hout is een levend materiaal dat al duizenden jaren menselijke onderkomens bouwt, maar het blijft kwetsbaar voor de elementen. Wanneer het onbeschermd wordt gelaten, rot het door schimmels, brandt het in vuur en vervormt het wanneer vochtgehaltes veranderen. Hoewel wetenschappers al lang chemische behandelingen hebben ontwikkeld om dit verval te stoppen, zijn veel van deze oplossingen giftig of moeilijk toe te passen. Een populair alternatief is thermische modificatie, een proces waarbij hout wordt gebakken op hoge temperaturen om de interne chemie te veranderen, waardoor het minder aantrekkelijk wordt voor organismen die rot veroorzaken. Echter, zelfs thermisch behandeld hout is niet immuun voor alle soorten verval, en de industriële machines die nodig zijn voor dit proces zijn duur. Dit laat een gat over voor een eenvoudigere, goedkopere manier om hout te beschermen, met name voor degenen die giftige chemicaliën willen vermijden. Onderzoekers hebben hun aandacht gericht op een veelvoorkomend mineraal genaamd wollastoniet, een naaldvormige steen die vaak wordt gebruikt in plastics en keramiek, om te zien of het beschermende verven kon versterken en hout kon stoppen met rotten.

Een team van wetenschappers van universiteiten uit Iran, Europa en Australië zette zich af om te testen of het mengen van dit mineraal in een standaard acrylverf hout kon beschermen tegen schimmelverval. Ze werkten met drie verschillende soorten hout: beuk, een dicht hardhout; populier, een lichter hardhout; en spar, een naaldhout. Om realistische omstandigheden te simuleren, bereidden ze twee sets van elk houttype voor. Eén set werd in zijn natuurlijke staat gelaten, terwijl de andere werd onderworpen aan thermische modificatie door het te verhitten tot 185 graden Celsius gedurende vier uur. Deze hittebehandeling verandert de chemische structuur van het hout, waardoor sommige van de suikers die schimmels eten, worden verwijderd. Na de thermische behandeling werden de houtmonsters geconditioneerd om ze te stabiliseren.

De onderzoekers brachten vervolgens verschillende coatings aan op deze monsters. Sommige stukken werden kaal gelaten om als controle te dienen, om te laten zien hoeveel het hout zou rotten zonder enige bescherming. Anderen ontvingen een standaard watergedragen acrylverf, een veelvoorkomende coating die in veel bouwmarkten te vinden is. De laatste groep ontving een speciale versie van diezelfde verf, maar dan met wollastoniet gemengd. Het mineraal werd toegevoegd in een specifieke ratio, waardoor een suspensie ontstond die grondig in de verf werd gemengd voordat deze werd aangebracht. Elk stuk hout kreeg twee lagen van de verf, aangebracht met een dag tussen de lagen, wat resulteerde in een droge laag van ongeveer 210 micrometer dik. Nadat ze waren gecoat, werden alle monsters in een gecontroleerde omgeving geplaatst en blootgesteld aan twee agressieve soorten houtverrottingsschimmels. De ene schimmel, bekend om het veroorzaken van bruinrot, valt de structurele vezels van het hout aan, terwijl de andere, een witrot-schimmel, de kleur en sterkte van het hout afbreekt.

Na de blootstellingsperiode van vier maanden waren de resultaten opmerkelijk. De onbehandelde houtmonsters leden zware schade en verloren aanzienlijke hoeveelheden van hun massa doordat de schimmels het materiaal wegaten. In sommige gevallen verloor het onbeschermde hout bijna 4o procent van zijn gewicht. De standaard acrylverf bood enige hulp en verminderde het massaverlies, maar het was geen perfect schild. In bepaalde omstandigheden, met name bij het beukenhout, barstte en bladerde de verffilm af, waardoor de microscopische schimmeldraden het onderliggende hout konden binnendringen. De monsters die echter waren gecoat met de door wollastoniet verrijkte verf, presteerden uitzonderlijk goed. Het massaverlies in deze monsters was drastisch lager, vaak minder dan 3 procent, ongeacht of het hout thermisch behandeld was of niet.

De onderzoekers onderzochten de monsters onder krachtige microscopen om te begrijpen waarom de met het mineraal versterkte verf zo goed werkte. Ze ontdekten dat de naaldvormige vorm van de wollastonietdeeltjes fungeerde als een fysieke versterking binnen de verffilm, waardoor deze taaier en beter bestand tegen barsten werd. Nog belangrijker was dat het mineraal schijnbaar sterke chemische verbindingen aanging met de verf zelf, waardoor een samenhangende laag ontstond die moeilijk voor schimmels te doorbreken was. De verffilm bleef bijna intact, zelfs na maanden van schimmelaanval, terwijl de gewone verf aanzienlijk was verslechterd. Het mineraal leek ook te fungeren als een barrière, waardoor de beweging van zuurstof en water naar het houtoppervlak, die essentieel zijn voor schimmelgroei, werd vertraagd. In sommige gevallen observeerden de onderzoekers dat het mineraal zelf de groei van de schimmels op het oppervlak zou kunnen hebben verstoord, waardoor de verspreiding van de schimmel werd beperkt.

De studie mat ook hoeveel sterkte het hout behield na de schimmelaanval. Hout dat door schimmels was weggegeten, werd zwak en kruimelig, en verloor veel van zijn vermogen om gewicht te dragen. De monsters die beschermd werden door de wollastonietverf, behielden echter hun structurele integriteit. Zelfs het hout dat niet thermisch behandeld was maar wel met de minerale verf was gecoat, hield het bijna net zo goed vol als het onbelichte hout. Dit suggereert dat de verf meer deed dan alleen op het oppervlak liggen; het voorkwam actief dat het vervalproces de interne structuur van het hout aantastte. De combinatie van thermische modificatie en de minerale verf bood de beste bescherming, maar de verf alleen was een krachtig verdedigingsmiddel voor onbehandeld hout.

De bevindingen wijzen erop dat het toevoegen van een algemeen, goedkoop mineraal aan een standaardverf een zeer effectief schild tegen houtrot kan creëren. Deze aanpak biedt een praktische oplossing voor het beschermen van hout zonder afhankelijk te zijn van giftige chemicaliën of dure industriële hittebehandelinginstallaties. De onderzoekers concludeerden dat deze methode gemakkelijk toe te passen en betrouwbaar is voor zowel hardhout als naaldhout. Hoewel de studie in een laboratoriumsetting werd uitgevoerd, suggereren de resultaten een veelbelovend pad voorwaarts voor de toepassing van hout in de echte wereld, wat een manier biedt om de levensduur van houten constructies te verlengen terwijl het beschermingsproces eenvoudig en milieuvriendelijk blijft.