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Il legno termotrattato, originato a seguito del trattamento di modifica termica, sottoponendo il legno ad alte temperature per alcune ore, è un materiale dalle eccellenti doti di durabilità alle intemperie e resistenza al degrado biologico. Ottimo per applicazioni esterne, a contatto con l’acqua Indice degli argomenti: Trattamento termico del legno: storia e tecnica Proprietà del legno termotrattato Il processo di modifica termica ThermoWood® Termovuoto o VacWood®: un progetto italiano Trattamento termico con oli vegetali Il legno termotrattato può essere utilizzato in applicazioni esterne per l’edilizia, come alternativa ecologica ed efficace rispetto ai conservanti tossici tradizionali o biocidi. La modifica termica agisce a livello molecolare cambiando la struttura del legno stesso. Come risultato c’è il miglioramento di molte delle sue caratteristiche prestazionali, soprattutto la durabilità naturale e la stabilità dimensionale. Il legno, per via della sua natura organica, è soggetto a fenomeni sia di instabilità dimensionale (a causa dell’assorbimento di acqua) e degrado, che variano secondo l’esposizione alle intemperie ed al sole. I trattamenti preservanti hanno la funzione di aumentare la resistenza e difendere il legname da costruzione dai principali agenti di degrado biologico: funghi, insetti, organismi marini e fuoco. E lo fanno, da una parte riducendo la capacità di imbibizione del legno (igroscopicità), dall’altra distruggono il cibo gli organismi xylofagi. Sono quindi necessari trattamenti per ridurre il comportamento igroscopico del legno al fine di migliorarne la stabilità dimensionale e la resistenza agli agenti di biodeterioramento. La modifica del legno (chimica, termica o impregnazione) va a migliorare le caratteristiche di resistenza e durabilità del legname, rendendole simili a quelle dei legni tropicali. Il risultato è un super-legno che non teme le più estreme condizioni ambientali, a contatto con acqua e umidità. Ideale per applicazioni che devono resistere a forti stress igrotermici: decking e passerelle esterne, rivestimenti di facciate, strutture ipogee, ponti, infissi e arredi da giardino, panchine, saune. La possibilità di impiegare specie soggette a una rapida biodegradazione in ambiti per loro precedentemente a rischio, valorizza il patrimonio forestale meno pregiato ma più veloce a crescere, in maniera esponenziale. Il trattamento termico che dà origine al legno modificato termicamente o TMT Thermally modified timber-, viene tipicamente eseguito a temperature comprese tra 150°C e 240°C: temperature più basse non causano cambiamenti significativi nei costituenti del legno, mentre temperature più elevate danneggiano il legno (Hill, 2006). L’esposizione alle alte temperature genera cambiamenti nella struttura chimica del legno, che converte la sua natura idrofila a idrofobica attraverso la degradazione termica dei polisaccaridi, principalmente emicellulosa (termicamente labile). Sfortunatamente, tale miglioramento è solitamente accompagnato dal decremento della resistenza meccanica. Trattamento termico del legno: storia e tecnica È il più vecchio e diffuso trattamento di modifica del legno. Una sua variante, conosciuta fin dall’antichità, consisteva nel bruciarne la superficie esterna per proteggerlo: la cosiddetta carbonatazione o meglio conosciuta in Giappone come Shou Sugi Ban o Yakisugi. Di tutti i vari processi di modifica del legno (acetilazione, furfurilazione e innesto di silicio o polimeri), la modifica termica è il più evoluto dal punto di vista commerciale. Già all’inizio del XX secolo (Tiemann 1915, Stamm e Hansen 1937) si scoprì che l’essiccazione del legno ad alta temperatura aumentava la stabilità dimensionale riducendone la capacità di assorbimento dell’umidità. L’efficacia del trattamento termico sulla riduzione dell’igroscopicità del legno è stata dimostrata per la prima volta da Tiemann nel 1915, dove è stata ottenuta una riduzione del 10–25% dell’assorbimento di umidità quando il legno è stato sottoposto a vapore a 150 °C per 4 ore. Effetti della modifica chimica del legno (Emil Engelund Thybring , University of Copenhagen, Denmark) 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. Ricordiamo che i componenti principali del legno sono cellulosa (40–50%), emicellulose (25–35%) e lignina (25–30% nei legni teneri e 20-25% nei legni duri), oltre ad una piccola percentuale di estratti (circa il 5%). Il riscaldamento del legname modifica permanentemente molte delle sue proprietà chimiche e fisiche. Il cambiamento è principalmente causato dal degrado termico delle emicellulose (insieme alle cellulose sono carboidrati). Figura 1 Immagini SEM della microstruttura; a) la fibra non trattata; b) la fibra trattata a 120 ℃; e) la fibra trattata a 220 ℃; f) la cellula del parenchima non trattata; g) la cellula del parenchima trattata con 120 ℃; j) la cellula del parenchima trattata con 220 ℃ 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. Effetto della modifica termica sull’aspetto del legno (Sandak, 2019) 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. L’intero processo, che può durare fin oltre le 40 ore può essere applicato su tutte le specie legnose, sia conifere che latifoglie. 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®. Proprietà del legno termotrattato Come risultato delle modifiche indotte termicamente ai componenti macromolecolari, le proprietà fisiche e biologiche del legno vengono alterate, con i seguenti effetti: 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. Il legno modificato termicamente ha una resistenza migliore agli attacchi biologici. Le alte temperature, infatti, degradano gli zuccheri presenti nel legname ed in particolare nelle emicellulose arabinosio, galattosio, xilosio, mannosio, eliminando il cibo per funghi, insetti e batteri xylofagi. Ciò gli permette di essere utilizzato in situazioni avverse, esposto agli agenti atmosferici, in applicazioni esterne e a contatto con l’acqua (che sappiamo essere il peggior nemico del legno). Il processo di modifica termica ThermoWood® È il primo processo di modifica termica del legno ad essere stato brevettato (già dal 1997 in Finlandia) e, anche per questo, il più conosciuto e diffuso. Il legno viene dapprima essiccato, poi subisce la modifica termica (con l’aumento ulteriore della temperatura) e, infine, viene raffreddato e stabilizzato. Il processo ThermoWood® può essere suddiviso in tre fasi principali: Fase 1: Essiccazione ad alta temperatura. Il forno viene portato rapidamente a 100°C. Successivamente, la temperatura viene gradualmente aumentata al livello desiderato. Durante questo processo, il legname si asciuga e il suo contenuto di umidità diminuisce fino a zero. Fase 2: Modifica termica. Dopo l’essiccazione ad alta temperatura, il forno viene mantenuto a temperatura costante e avviene la modifica vera e propria. Fase 3: Raffreddamento/condizionamento. Durante l’ultima fase, la temperatura nel forno viene abbassata con un sistema a spruzzo d’acqua. Quando la temperatura è sufficientemente bassa, il contenuto di umidità del legno viene aumentato utilizzando acqua e vapore per migliorarne la lavorabilità e la stabilità dimensionale. Dopo la fase di raffreddamento, il contenuto di umidità dei prodotti ThermoWood® è del 4–7%. Un esempio del processo ThermoWood® per legni teneri nordici (classe di prodotto Thermo-D) Impianto di produzione del legno termico ThermoWood La durata del processo ThermoWood® dipende dalla classe di prodotto (Thermo-S o Thermo-D), dalla specie legnosa e dal contenuto di umidità e dalle dimensioni della materia prima. Il prodotto acquista il suo colore marrone durante il processo: il calore cambia le sue proprietà chimiche. A seconda della specie legnosa e delle dimensioni dell’elemento, vengono adottate diverse impostazioni di temperatura e durata di esposizione. Termovuoto o VacWood®: un progetto italiano Questa è una nuova tecnologia per la modifica termica del legno in cui l’ossigeno all’interno del reattore è sostituito dal vuoto parziale. Il processo di Termovuoto è stato sviluppato dal CNR Ivalsa (Istituto per la Valorizzazione del Legno e delle Specie Arboree) in Italia attraverso il progetto TV4NEWOOD finanziato dall’UE nell’ambito del programma Eco Innovation (CNR-IVALSA 2016). L’obiettivo del progetto è quello di migliorare le caratteristiche di resistenza e durabilità di 7 specie legnose molto diffuse in Europa (Abete rosso, Abete bianco, Pino marittimo, Frassino, Faggio, Pioppo, Quercia), rendendole simili a quelle dei legni tropicali. Il legname prodotto viene creato senza l’aggiunta di prodotti chimici e con un notevole risparmio energetico, grazie alla tecnologia che opera “sottovuoto”. Innanzitutto, il legno viene essiccato con temperature fino a 100 ° C fino a quando il legno raggiunge il 0% di umidità, quindi la modifica termica viene eseguita nella stessa camera aumentando la temperatura a valori compresi tra 160 e 220 ° C. Una pompa del vuoto viene utilizzata per mantenere il vuoto durante il trattamento e rimuovere l’aria residua. Il processo di trasformazione del legno, brevettato dalla WDE Maspell, avviene all’interno di un solo macchinario per tutte le tre fasi di lavorazione: 1. ESSICCAZIONE (DRYING). Il legno viene essiccato fino a valori di umidità molto bassi e prossimi allo 0%, con un processo sottovuoto in atmosfera di vapore surriscaldato, per garantire la più rapida ed efficace essicazione senza stress per la materia legnosa. 2. ALTA TEMPERATURA (HT). Durante la fase di trattamento termico sottovuoto, la temperatura viene innalzata fino a valori compresi fra 170 °C e 210 °C a seconda del tipo di risultato desiderato, per rimanendo in questa condizione tra le due e le quattro ore. Per effetto di una continua estrazione dell’atmosfera interna da parte della pompa a vuoto di uno speciale sistema, le emissioni di gas prodotte dal legno sono condensate, diluite e stoccate senza alcun rischio per l’ambiente. Segue il periodo di raffreddamento ottenuto con uno scambiatore aria-aria e fino alla temperatura di 90 °C, senza uso di refrigeranti o diretto contatto con l’atmosfera. 3. CONDIZIONAMENTO (CONDITIONING). Partendo dai valori preesistenti di vuoto, la fase di condizionamento consiste nell’incrementare la pressione all’interno della cella tramite vapore prodotto alla pressione atmosferica. Un processo che permette al legno, praticamente anidro, di recuperare un livello di umidità di equilibrio intorno al 4%, evitando così stress da contatto con l’atmosfera. Le classi standard di trattamento sono tre, studiate per garantire le performance del legno in accordo alle mutazioni chimico fisiche ottenute a causa della temperatura crescente applicata. Ogni classe prevede un trattamento differenziato per spessore del legno fino a mm. 22 e fino a mm. 33. VacWood® – C (COLORE). La temperatura di trattamento massima a 170 °C, garantisce il cambiamento del colore del legno in una tinta più scura rispetto a quello non trattato rendendolo visivamente più gradevole ed uniformando il colore in caso di materia prima con differenze fra alburno e durame. VacWood® – S (Stabilità). La temperatura di trattamento massima è pari a 190 °C. per un colore ancora più scuro e una stabilità dimensionale maggiore. Ideale per gli impieghi dove è necessario che il legno non si muova (es. pavimenti, serramenti interni). VacWood® D (Durabilità). La temperatura di trattamento massima è pari a 210 °C, che dona al legno un colore ancora più scuro e un importante cambiamento migliorativo di classe di durabilità, definita come la capacità di resistenza della massa legnosa alla bio-degradazione (funghi, muffe) e correlata alle classi di rischio che identificano in quali particolari condizioni di esposizione (all’aperto, in contatto con il terreno ecc.) possiamo usare il legno. Trattamento termico con oli vegetali Gli oli vegetali sono stati a lungo utilizzati per proteggere il legno dalla decomposizione di muffe e funghi, nonché per ridurne l’assorbimento dell’umidità. Gli oli insaturi possono infatti ossidarsi se esposti all’aria portando alla formazione di uno strato protettivo sulla superficie del legno. L’applicazione dell’olio durante il trattamento termico, il cosiddetto trattamento termico ad olio o trattamento oleotermico, è in grado di migliorare le proprietà del legno attraverso l’effetto sinergico dell’olio e del calore: l’olio protegge il legno e ne riduce l’assorbimento d’acqua, mentre l’alta temperatura ne riduce l’igroscopicità. Resistenza ai funghi del bambù (a) immagini al microscopio di campioni di bambù, (b) immagini al microscopio di campioni di bambù dopo essere stati esposti ad Aspergillus niger per 3 giorni, (c) immagini SEM di bambù dopo essere stati esposti ad Aspergillus niger per 8 settimane (Tang et al, 2019) Esistono vari processi, il trattamento termico ad olio più diffuso è quello della società tedesca Menz Holz, denominato OHT (Oil Heat Treatment). Sfrutta temperature comprese tra 180 °C e 260 °C utilizzando olio di colza, olio di lino o olio di girasole come mezzo di trasferimento del calore: gli oli offrono eccellenti caratteristiche di trasferimento del calore e separano l’ossigeno dal legno. Il processo OHT di solito avviene in un recipiente chiuso dove l’olio caldo circola intorno al legno per un periodo di tempo compreso tra 2 e 4 ore. Bibliografia: GIORDANO G., Tecnica delle costruzioni in legno, Milano, Hoepli, 1999 Gérardin P., New alternatives for wood preservation based on thermal and chemical modification of wood – a review, 2017 HILL A. S., Wood modification. Chemical, thermal and other processes, Wiley, 2006 LANER. F., Idee costruttive per solai e tetti in legno, Flap edizioni, Verona, 2008 LANER F., Il legno. Materiale e tecnologia per progettare e costruire, Utet, 2012 PIAZZA M., TOMASI, Strutture in legno. Materiale, calcolo e progetto, Milano, Hoepli, 2005 MEROTTO A., Danni e difetti delle costruzioni in legno, Maggioli editore, 2017 ROWELL R.M., Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites, Taylor and Francis, 2005 RICHARDSON B.A., Wood Preservation, Routledge, 1993 Navi P., Sandberg D., Thermo-hydro-mechanical processing of wood engineering sciences, Lausanne, 2012 Sandak A. et al., Biomaterials for Building Skins, 2019 Stamm A. J., Hansen L.A., Minimizing Wood Shrinkage and Swelling Effect of Heating in Various Gases, 1937 Stamm A.J., Thermal Degradation of Wood and Cellulose, Industrial & Engineering Chemistry, 1956 Tang et al., Synergistic effects of tung oil and heat treatment on physicochemical properties of bamboo materials, 2019 Tiemann H.D., The effect of different methods of drying on the strength of wood, Lumber World Rev. 28, 1915 WALKER A., Atlante del legno. Guida ai legnami del mondo, Hoepli 2019 SCHULZ T.P., NICHOLAS D.D., Wood Deterioration and Preservation. 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