Valóban létezik átlátszó fa?

2016 áprilisától kezdve a médiában sorra jelentek meg cikkek az átlátszó fával kapcsolatban. A hírekben többször olvashattuk, hogy egy olyan mértékű felfedezésről van szó, mely alapjaiban rengetheti meg az építőipart. De mi is az az átlátszó fa, és tényleg ilyen súlyú felfedezésről van szó? Jelen cikkemben röviden ismertetem a fa szerkezetét, feltárását és körüljárjuk az átlátszó fa előállítási lehetőségeit is.

Az egyik legrégebben alkalmazott megújuló nyersanyagforrásunk: a fa

Az egyik legrégebben alkalmazott megújuló nyersanyagforrásunk: a fa

A fát már évezredek óta alkalmazzuk, így gyakorlatilag nincs olyan terület, ahol ne találnánk meg. Felhasználása nagyon széleskörű: alkalmazzuk az építőiparban, járműveinkben, mindennapi eszközeinkben vagy például a papírgyártás területén. Emellett speciális szerkezete az anyagfejlesztés területén is fontos ötletgazda volt. Elterjedt alkalmazásának legfontosabb oka, nagy mennyiségben való előfordulása, megújuló képessége, könnyű megmunkálhatósága és viszonylagosan jó mechanikai tulajdonsága. Negatívumaként megemlítendő, hogy a természet változatosságából eredően egyes tulajdonságok még ugyanazon fán belül is széles skálán mozoghatnak.

A fák szerkezetének és feldolgozásának megértéséhez egészen sejtszintig kell visszamennünk. A növényvilágot felépítő sejtek számos dologban eltérnek az állatvilágot létrehozóktól, melyek közül az egyik legfontosabb a sejtfal. Eme sejtalkotó biztosítja a növények merevségét és szilárdságát. Legfontosabb összetevője a cellulóz, a hemicellulóz és a lignin, melyek egymáshoz hidrogén- illetve kovalens kötésekkel kapcsolódnak.

A fa szerkezetének sematikus ábrája

A fa szerkezetének sematikus ábrája

Cellulóz- és papírgyártás

A fa egyik lehetséges felhasználása során, a cellulóz- és a papírgyártás esetén, első lépésként a fát kisebb darabokra aprítják, majd a benne található lignint és a hemicellulóz nagy részét melléktermékként kinyerik. Az eljárások során a lignin térhálós szerkezete degradálódik, gyakran kémiai módosítás is történik. A lignint többféle úton nyerhetjük ki; ilyen például a Kraft-eljárás, a szulfitos lebontás, az organoszolv bontás és a gőzrobbantás. Ezen eljárások közül az első kettőt alkalmazzák leggyakrabban az iparban, míg az utolsó két eljárás kisebb gyakorlati jelentőséggel bír. A négy fő fafeltárási módszer közül mindössze a legelterjedtebbet, a Kraft-eljárást ismertetném.

Megjegyzendő, hogy körülbelül 50 évvel ezelőtt a szulfitos eljárás volt meghatározó az iparban, ám egyre jobban háttérbe szorult, miután felismerték a Kraft-eljárásban keletkező fekete lúg recirkuláltatási lehetőségét.

A Kraft-eljárás

Az eljárás során a fához úgynevezett fehér lúgot adnak, melyben hidroxid és a hidrogén-szulfid ionok találhatóak. Az elegy két legfontosabb komponense a nátrium-hidroxid és a nátrium-szulfid. Az oldat 13-14-es pH-ja az erősen lúgos tartományba esik, a feltáráshoz pedig 140-175 °C hőmérsékletet alkalmaznak. A feltáró folyamat két fő részből tevődik össze. Az első lépés során a lúg a hidrosztatikai nyomás hatására bekerül a fa kapillárisaiba, majd a második, már diffúzió kontrollált folyamat során, a lúg bejut a sejtfalba, illetve a sejtekbe is. Fontos megjegyezni, hogy a feltárás sebességét számos dolog befolyásolhatja, mint például a fa minősége, vagy akár a pH is.

Összezúzott fa, a Kraft-eljárás kiinduló alapanyaga

Összezúzott fa, a Kraft-eljárás kiinduló alapanyaga

A feltárást követően a fehér lúg fekete lúggá alakul, melyet egyszerű szűréssel, majd mosással távolítanak el a visszamaradt farostokról. A fekete lúg tartalmazza a megfelelő kémiai reakciókon átesett degradálódott lignint, a hemicellulóz bontási származékait, egyes szénhidrátokat és szerves savakat is. Az eljárás során a lúg pH-ja 12 körüli értékre csökken, de még mindig erősen lúgos tartományban található. Habár a Kraft-eljárás a többihez viszonyítva kis mértékben lassabb, energiagazdálkodás és az előállított papír minősége szempontjából kedvezőbb, mint a többi eljárás. A visszamaradt fekete lúg maradványát recirkuláltatják; első lépésként bepárolják, majd a visszamaradó terméket, köztük a lignint is elégetik és az így keletkező hőenergiát további regenerálási reakciókban hasznosítják. Az így kapott anyagot kausztifikálják, melynek célja, hogy a kalcium-hidroxiddal való reakció során a keletkezett nátrium-karbonátot visszaalakítsák nátrium-hidroxiddá, melyet további feltárási reakciókhoz használnak fel. A keletkezett kalcium-karbonátot regenerálják, s ezzel az utolsó lépéssel bezárul a regenerálási körfolyamat.

Az átlátszó fa

És hogy jön mindez az átlátszó fához? A fa sejtjeinek sejtfalát felépítő komponensek közül a fa barna színét a lignin aromás szerkezete adja, így ennek eltávolításával a visszamaradó cellulóz szálak már áttetszőek lehetnek. Az átlátszó fa előállítását legelőször Liangbing Hu és csapata végezte a Marylandi Egyetemen. A kutatás során 50mm*50mm*3mm-es mintákat vágtak ki mind radiális, mind pedig hosszirányban. A kapott kis lapokat Kraft-eljárásnak vetették alá, melynek során eltávolították a lignin nagy részét. A visszamaradó lignin színének elhalványítása érdekében, a papíriparban gyakran alkalmazott fehérítési eljárást (bleaching) használták, melynek során hidrogén-peroxiddal eloxidálják a mintában található színanyagokat (jelen esetben a lignint). A kapott termék, mely gyakorlatilag rendezett cellulóz szálakból áll, mechanikailag igen gyenge. Ennek kiküszöbölése érdekében vákuum alkalmazásával a rendszert epoxigyantában rögzítették, ezzel pedig megalkotva az átlátszó fát.

Érdemes megemlíteni, hogy a fa szerkezetének mikroszkóppal történő vizsgálatakor, az előbb említett metódust már régóta alkalmazzák. Az epoxigyanta mellett gyakran használnak polimetil-metakrilátot (PMMA-t) is.

PMMA-ba történő beágyazással készített metszetek; a) juhar, b) nyár (a szerző saját felvételei)

PMMA-ba történő beágyazással készített metszetek; a) juhar, b) nyár (a szerző saját felvételei)

A levonható következtetések

A kapott termék jellemzésekor megállapítható, hogy a mechanikai tulajdonságok az eredeti fa mintákhoz képest javultak, mely könnyen belátható, hogy az epoxigyantának tulajdonítható. A radiális mintánál azt tapasztalták, hogy a látható fény 90%-át képes átengedi ilyen vastagság mellett, mely önmagában tényleg jónak mondható.

A hírhedt átlátszó fa

A híres átlátszó fa

Az átlátszó fával kapcsolatban pár probléma viszont felvetődik, úgymint például az előállítás ipari megvalósíthatósága, gazdaságossága, a konkrét felhasználhatóság vagy a termék biodegradálhatósága is.

Látható tehát, hogy az átlátszó fa előállítási metódusa több tíz évre visszanyúló, már bejáratott ipari folyamatok összefésülése, az eredmények pedig egyelőre nem elegendőek ahhoz, hogy alapjaiban rengessük meg az építőipart.

Forrás:
Herbert Sixta: Handbook of Pulp, Wiley-VCH, Weinheim (2006)
Herbert Sixta: Alkalinity of white and black liquor. Lenzig AG, Lenzig (2004)
Mingwei Zhu, Jianwei Song, Tian Li, Amy Gong, Yanbin Wang, Jiaqi Dai, Yonggang Yao, Wei Luo, Doug Henderson, Liangbing Hu : Highly Anisotropic, Highly Transparent Wood Composites; Advanced Materials
http://images.photowall.com/products/44352/rural-forest.jpg?h=650&q=90&
http://files.umwblogs.org/blogs.dir/1826/files/2008/12/wood-cellulose-rowell-36-001.jpg
http://tradeaz.net/wp-content/uploads/2016/08/GoldenWoodChips1-1680×1050.jpg
http://media.architecturaldigest.com/photos/57228567818277135ff9246b/master/w_806/swedish-scientists-invent-transparent-wood-02.jpg