MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LESNICKÁ A DŘEVAŘSKÁ FAKULTA ÚSTAV NAUKY O DŘEVĚ

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LESNICKÁ A DŘEVAŘSKÁ FAKULTA ÚSTAV NAUKY O DŘEVĚ ZPŮSOBY PLASTIFIKACE DŘEVA Z POHLEDU VÝROBY OHÝBANÉHO NÁBYTKU BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2009/2010 MARTIN BRABEC

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Způsoby plastifikace dřeva z pohledu výroby ohýbaného nábytku zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MENDELU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne:... podpis studenta

3 PODĚKOVÁNÍ Mé poděkování za nesmírnou trpělivost, metodické vedení a odborné rady při práci patří především panu Ing. Alešovi Dejmalovi Ph.D. a všem, kteří dobrou radou nebo připomínkou přispěli ke vzniku této práce.

4 Abstrakt Autor: Martin Brabec Název práce: Způsoby plastifikace dřeva z pohledu výroby ohýbaného nábytku Title: Methods of plastification of wood production from the perspective of bentwood furniture Tato bakalářská práce je zaměřena na rozbor vybraných způsobů plastifikace dřeva z pohledu výroby ohýbaného nábytku. Na základě tohoto rozboru je provedena analýza jednotlivých způsobů plastifikace dřeva, která je založena na sestavení a srovnání základních modelů technologického postupu výroby ohýbaného nábytku, srovnání pracovních podmínek a ekologie výroby, srovnání doprovodných změn vlastností dřeva po plastifikaci a srovnání využitelnosti ve výrobě ohýbaného nábytku. Jednotlivé postupy jsou následně komplexně vyhodnoceny s naznačením hlavních výhod a omezujících faktorů, které limitují jejich využití ve výrobě ohýbaného nábytku. Klíčová slova: plastifikace dřeva, ohýbání, paření, vaření, MV ohřev, VF ohřev, amoniak, komprimace dřeva Abstract This work is devoted to analysis of selected methods of plastification of wood from the point of production bentwood furniture. Based on this analysis, it analyzes the various ways of plastification of wood, which is based on the compilation and comparison of the technological process of production models of bentwood furniture, a comparison of working conditions and ecology of production, a comparison of changes accompanying the plastification of wood properties and usefulness compared to the production of bentwood furniture. Individual processes are then comprehensively evaluated with an indication of the main benefits and obstacles that limit their use in the production of bentwood furniture. Keywords: plastification of wood, bending, steaming, boiling, microwave heating, HF heating, ammonia, compression wood

5 Obsah 1. Úvod Cíl práce Literární přehled Výběr a příprava materiálu Zpracování kulatiny na řezivo Zpracování řeziva na nábytkové hranolky Vlhkost hranolků Kvalita hranolků Plastifikace Cíle plastifikace Lignin-sacharidová síť Mechanismus plastifikace dřeva obecně Způsoby plastifikace dřeva Ohýbání Teorie ohybu Metody ohýbání Pomůcky k ohýbání Způsoby ohýbání Stabilizace tvaru Výroba ohýbaného nábytku z pohledu plastifikace pařením Mechanismus plastifikace pařením Plastifikace pařením Ohýbání Stabilizace tvaru po plastifikaci pařením Klimatizace ohybů Výroba ohýbaného nábytku z pohledu plastifikace dřeva vařením Mechanismus plastifikace vařením Postup plastifikačního média hranolkem Plastifikace dřeva vařením Ohýbání Stabilizace tvaru po plastifikaci vařením Výroba ohýbaného nábytku z pohledu plastifikace mikrovlnným (MV) ohřevem Mechanismus plastifikace MV ohřevem Dřevo jako dielektrikum Vznik plastifikačního média (tepla) Postup plastifikačního média hranolkem Plastifikace dřeva MV ohřevem Ohýbání Stabilizace tvaru po plastifikaci MV ohřevem Výroba ohýbaného nábytku z pohledu plastifikace vysokofrekvenčním (VF) ohřevem Mechanismus plastifikace Vznik plastifikačního média (tepla) Postup plastifikačního média hranolkem Plastifikace VF ohřevem Ohýbání a stabilizace tvaru po plastifikaci VF ohřevem Výroba ohýbaného nábytku z pohledu plastifikace amoniakem (čpavkem).. 39

6 3.9.1 Mechanismus plastifikace Postup plastifikačního média hranolkem Plastifikace dřeva amoniakem (amoniakalizace) Ohýbání Stabilizace tvaru po plastifikaci amoniakem Doprovodné změny vlastností dřeva po amoniakalizaci Výroba ohýbaného nábytku z pohledu plastifikace pařením nebo VF ohřevem v kombinaci s kompresí podél vláken Mechanismus plastifikace před komprimací Mechanismus mechanické modifikace před ohýbáním Paření či VF ohřev v kombinaci s kompresí hranolků podél vláken Compwood Ohýbání materiálu Compwood Stabilizace tvaru materiálu Compwood Bendywood (Biegeholz) Ohýbání materiálu Bendywood Stabilizace tvaru materiálu Bendywood Doprovodné změny při paření či VF ohřevu hranolků v kombinaci s kompresí podél vláken Materiál a metodika Výsledky Diskuse Závěr Summary (souhrn) Přehled použité literatury

7 1. Úvod Dřevo je přírodní obnovitelný materiál, který má v životě člověka nezastupitelné místo. Pro své příznivé vlastnosti jako je velká pevnost při nízké hmotnosti, výhodné vlastnosti ve vztahu k obrábění a přírodní vzhled se zajímavou texturou, se vyskytuje téměř všude okolo nás v různých podobách. Je jedním ze základních stavebních materiálů, který se v posledních letech začíná opět těšit oblibě (dřevostavby), dále se uplatňuje jako dekorativní výzdoba a hlavně jako nábytek. Rozeznáváme mnoho druhů dřevěného nábytku, z nichž bude pozornost dále zaměřena na ohýbaný nábytek. Počátek ohýbaného nábytku se datuje přibližně do období biedermeieru. V této době své první pokusy s ohýbáním dřeva prováděl Michael Thonet. Hlavní předností ohýbaného nábytku je možnost výroby tvarů, které nejsou dosažitelné jinými technologickými způsoby, nebo jejich výroba značně neproduktivní. Výroba ohýbaného nábytku příp. ohýbání dřeva je nemyslitelné bez předchozí dočasné úpravy vlastností dřeva, tj. plastifikace. Hledání optimálního způsobu plastifikace dřeva probíhá nepřetržitě od počátku výroby ohýbaného nábytku. Jednotlivé způsoby plastifikace jsou postupně zdokonalovány a s rozvojem vědy a techniky neustále vznikají nové náměty v této oblasti. Téma plastifikace dřeva je průběžně diskutováno, protože je stále co zlepšovat. Z toho důvodu je tato práce zaměřena na podrobný rozbor současného stavu vybraných způsobů plastifikace dřeva ve vztahu k výrobě ohýbaného nábytku a jejich komplexní vyhodnocení z hlediska využitelnosti ve výrobě ohýbaného nábytku. 7

8 2. Cíl práce Cílem této bakalářské práce je rozbor jednotlivých způsobů plastifikace dřeva ve vztahu k výrobě ohýbaného nábytku. V rámci tohoto rozboru provést roztřídění získaných poznatků z literárních zdrojů podle příslušnosti k jednotlivým způsobům plastifikace dřeva při zachování stejné struktury členění poznatků v rámci všech analyzovaných způsobů plastifikace dřeva. Na základě tohoto rozboru provést analýzu jednotlivých způsobů plastifikace dřeva podle zvolených kritérií v takovém rozsahu, aby mohly být předneseny jejich základní přednosti a nedostatky. Hlavním výstupem práce by mělo být komplexní vyhodnocení využitelnosti jednotlivých způsobů plastifikace ve výrobě ohýbaného nábytku. 8

9 3. Literární přehled 3.1 Výběr a příprava materiálu Pro ohýbání jsou doporučována dřeva, která mají dlouhá vlákna, rovnoměrnou šířku letokruhů (optimálně 2 3 mm) a malé rozdíly ve vlastnostech jarního a letního dřeva, popř. dominantní výskyt jarního nebo letního dřeva v rámci letokruhu. Dalším důležitým požadavkem pro dřeva vhodná na ohýbání je malá rozdílnost jednotlivých mechanických vlastností důležitých pro ohýbání (objemová hmotnost, modul pružnosti, pevnost v ohybu, v tlaku a tahu podél vláken, atd.) v rámci druhu (Trávník, 2008). Nejméně vhodná jsou pro ohýbání dřeva jehličnatá a dřeva dřevin rostoucích v extrémních vegetačních podmínkách. Za nejvhodnější dřeva se považují tvrdé listnaté dřeviny, a to zejména buk, jasan, jilm, dub, třešeň, bříza, aj. Z této skupiny se u nás nejvíce využívá buk (Fagus sp.), protože se vyskytuje v dostatečném množství a je cenově dostupný (Trávník, 2008). Už v lese lze provést předběžný výběr nejvhodnějších stromů, ze kterých se vyrobí řezivo a následně hranolky určené k ohýbání. Vhodný strom má listy menší a užší, světlezelené barvy, málo plodů, kůra je šedozelená. Uvedené znaky jsou však orientační a nelze jim přikládat velkou váhu (Vaněk, 1952) Zpracování kulatiny na řezivo Při zpracovávání vhodné dřeviny se musí dodržovat takové postupy, aby nedošlo ke znehodnocení suroviny před vlastní výrobou ohýbaného nábytku. Správná doba těžby bukového mýtního porostu je v zimních měsících. Hlavními výhodami těžby dřeva v zimních měsících jsou ztuhlá míza, menší praskání čel kulatiny a menší riziko napadení dřeva biologickými škůdci zapaření, hniloba, atd., tím je umožněna delší doba zpracování kulatiny po těžbě (Vaněk, 1952). V případě, že není možno zpracovat kulatinu v doporučeném časovém období, používá se pro uchování nejčastěji mokrý způsob ochrany bazénování. Tento způsob zahrnuje uložení kulatiny v betonových nebo železobetonových jámách s vodou. Pořez kulatiny se provádí na rámových pilách způsobem naostro. Jelikož má pilařský výřez tvar komolého kužele, je nutno rozhodnout, od kterého konce se má začít řezat, zda od širšího či užšího. V praxi se uplatňují oba dva způsoby. Mnohdy se výřez začne řezat podle toho, jak přichází do pilnice ze skladu. Nejvýhodnějším způsobem se však jeví řezání výřezů od širšího konce. Pořez pilařských výřezů je rovněž možné provádět na vertikálních pásových 9

10 pilách. V takovém případě se pořezové schéma sestavuje pomocí několika pásových pil za sebou nebo v případě pásové pily s posuvným suportem postupným odřezáváním jednotlivých desek (Vaněk, 1952). Po vyrobení řeziva je možné zvolit jeden z následujících postupů: a) Po výrobě se řezivo ihned nařeže na nábytkové hranolky a ty se poté předsouší. b) Nejprve se sníží vlhkost řeziva a potom se z něj vyrobí nábytkové hranolky. Rozměry nábytkových hranolků se vždy volí větší, než je výsledný rozměr dílce, a to o nadmíru technologickou (přídavky na opracování z hlediska tvaru, popř. jakosti povrchu). V případě, že má řezivo v době výroby hranolků vyšší vlhkost, než je požadováno, přidává se nadmíra na sesychání. Velikost nadmíry lze stanovit výpočtem nebo orientačně podle tabulkových hodnot. Jelikož výroba ohýbaného nábytku je spíše sériového charakteru, je vhodnější využívat postup, kdy se nábytkové hranolky vyrobí z řeziva ihned po pořezu kulatiny, z důvodu menších nároků na prostor nutný k uskladnění a předsoušení hranolků (Trávník, 2007) Zpracování řeziva na nábytkové hranolky Výrobu nábytkových hranolků z řeziva je možné provádět způsobem podélněpříčným, příčně-podélným nebo příčně-podélně-příčným. V praxi se využívá podélně-příčný způsob nejprve se rozřezává řezivo podélně na požadované šířky bez ohledu na vady, ve druhém kroku se zkracuje na požadované délky s ohledem na vady (řez je veden hned za vadou). Tímto způsobem je možné dosáhnout dobré výtěžnosti řeziva. Nevýhodou je nutná manipulace s dlouhými kusy. Při uskladnění ať už řeziva či přířezů před dalším zpracováním je třeba dodržovat určitá pravidla a zásady, aby nedošlo k znehodnocení materiálu. Podrobně se těmito pravidly a zásadami zabývá Vaněk (1952) Vlhkost hranolků Optimální vstupní a kritická (nejnižší) vlhkost hranolků pro ohýbání se pohybuje pro každý způsob plastifikace v jiných relacích. Protože řezivo nebo nábytkové hranolky vyrobené ihned po nařezání řeziva nedosahují optimální vlhkosti, je třeba ji snížit. Po skácení se vlhkost u buku pohybuje kolem 80 % (Horáček, 2008). Pro snížení vlhkosti materiálu na optimální hodnotu z hlediska ohýbání se využívá umělého nebo přirozeného předsoušení. Přirozené předsoušení může probíhat současně při správném 10

11 uskladnění, které pomáhá vyrovnávat časové rozdíly mezi těžbou dřeva, výrobou řeziva, výrobou hranolků a jejich použitím na výrobu ohýbaného nábytku. Po vytvoření ohybu je potřebné dřevo uvést do stavu vlhkostní rovnováhy s prostředím, kterému bude výrobek vystaven, tj. vnitřnímu prostředí obytných budov, které je shodné s tepelněvlhkostními podmínkami následujících fází výroby ohýbaného nábytku. Tomuto prostředí (teplota (T) = C, relativní vlhkost vzduchu (RVV) = %) odpovídá rovnovážná vlhkost dřeva (RVD) 8 ± 2 %. Usměrněním RVD na tuto hodnotu se předchází pracování dřeva (změně rozměrů a v důsledku anizotropie i borcení tvaru) při srovnávání vlhkosti dřeva s okolím (Trávník, 2008) Kvalita hranolků Ve struktuře dřeva jako přírodního rostlého materiálu se nachází odchylky od pravidelné stavby, tj. přirozené vady (suky, růstové trhliny, nepravé jádro, svalovitost, závitky vláken, hniloba, plíseň, reakční dřevo). Vedle přirozených vad se vyskytují i technologické vady, které vznikají v průběhu zpracování dřeva (odchylky pravoúhlosti, rovnoběžnosti ploch, odchylky rozměrů, nevyhovující kvalita povrchu, výsušné trhliny, zborcení příčné a podélné, atd.). Tyto vady mohou mít přímý vliv na úspěšnost plastifikace (nepravé jádro, reakční dřevo), popř. plastifikaci neovlivňují, ale jsou překážkou pro další zpracování a použití hranolků. Proto nemá smysl hranolky s obsahem takových vad plastifikovat a je třeba vadné hranolky vytřídit. Nepravé jádro je charakteristické kromě ztmavnutí barvy dřeva i tvorbou thyl neboli prorůstáním parenchymatických buněk do sousedních buněk (cév) přes ztenčeniny v buněčné stěně (BS). Tím se ztenčeniny a lumeny buněk ucpávají a výrazně se zhoršuje jejich propustnost pro plastifikační prostředky. Reakční dřevo tahové vyskytující se v listnáčích, je charakterizováno řidším rozmístěním cév a celkově jejich menšími rozměry, tedy vyšším výskytem libriformních vláken. Skladba BS cév je navíc doplněna tzv. želatinovou vrstvou G (nejvnitřnější vrstva BS, která zmenšuje průřez buňky). Tyto aspekty omezují plynulý prostup plastifikačního média buňkami. Dále mají vlákna tahového dřeva větší obsah celulózy oproti normálnímu dřevu, čímž je snížena schopnost plastifikace a stabilizace ohybů v důsledku menšího obsahu ligninu (Gandělová, Šlezingerová, 2005). Tabulka č. 1 podává přehled povolených vad v nábytkových hranolcích určených k ohýbaní. Podrobnějším rozborem vad těchto hranolků se zabývá Trávník (2007). 11

12 Tab. 1.: Přípustné vady nábytkových hranolků určených k ohýbání (Trávník, 2008) Druh vady Suky Nepravé jádro Stav a specifikace zdravé a úplně srostlé (nesmí být černé) zdravé (okrouhlé, jednoduché) Kvalita A ANO pouze na hranolcích určených k soustružení v místech,která při opracování odpadnou NE Kvalita I ANO na 500 mm délky hranolku pouze 1 suk do Ø 5 mm, větší v místech, která při opracování odpadnou ANO pokud rozsah nepřesahuje 1/2 povrchu u 30 % dodaných kusů Plíseň - NE NE Zbarvení Trhliny Zakřivení Odklon vláken Svalovitost, závitky Obliny neorganický původ vlasové ostatní příčné podélné, dvojité podélné - ANO do hloubky 1 mm (např. zbarvení vzniklé dopravou, páskováním) ANO do hloubky 1 mm a délky 10 mm NE - na plochách a bocích ANO - přecházející z čel na plochu a boky, pokud jejich hloubka nepřesahuje přídavek na délku ANO pokud výška oblouku nepřesahuje: u přířezů šířka max. 120 mm - 1,5 mm u přířezů šířky max. 125 mm - 2,0 mm NE ANO pokud výška oblouku nepřesahuje: u přířezů délky mm - 3 mm u přířezů délky mm - 7 mm u přířezů délky mm - 10 mm u přířezů délky mm - 20 mm u přířezů délky nad 1500 mm - 40 mm ANO 3 % NE ANO pokud výška oblouku nepřesahuje 5 mm na 1 m délky přířezu ANO 8 % - NE NE tupé ANO na jedné hraně u přířezů určených na soustružení, pokud nepřesahují 1/5 šířky nebo tloušťky přířezu Zkoušením a kontrolou vad, jako i dalšími specifickými požadavky na nábytkové hranolky pro ohýbání se podrobněji ve své práci zabývá Špunda (2005). Technologické vady mohou vznikat při každé technologické operaci, proto je třeba kontrolu a třídění provádět pokud možno plynule. 3.2 Plastifikace Před vlastní realizací ohybu je nutno dřevo plastifikovat. Dřevo jako neplastifikovaný materiál se vyznačuje velkou pevností a poměrně malou pružností. Všechny snahy o vytvoření trvalého ohybu takového materiálu jsou neúspěšné. 12

13 3.2.1 Cíle plastifikace Cíle plastifikace dřeva je možné shrnout následovně: a) Eliminace porušení struktury dřeva jedná se o zvýšení deformovatelnosti dřeva pro vytvoření ohybu požadovaného poloměru. Pomocí plastifikace lze tohoto cíle dosáhnout prostřednictvím dvou dílčích faktorů. Jednak zvýšením průtažnosti a stlačitelnosti dřevních vláken a jednak možností posunu jednotlivých vrstev buněk v tloušťce hranolku po sobě bez narušení celistvosti (vzniku trhlin a prasklin). Posun vrstev nastane, jakmile je u dřevních vláken dosaženo maximální deformace. V praxi se obvykle tyto faktory doplňují mechanickým přípravkem pásnicí. b) Zvětšení podílu plastické deformace z celkové deformace jedná se o zajištění tvarové stability vytvořeného ohybu. Dřevo jako kompozitní materiál se skládá ze třech základních složek, celulózy, hemicelulóz a ligninu, na něž plastifikační prostředky působí. Působení plastifikačních médií umožní přechod ligninu jako látky termoplastického charakteru do plastického stavu. Po ukončení plastifikace nastává návrat do pevného skupenství. Tato skutečnost společně s dalšími vratnými fyzikálněchemickými změnami zapříčiňuje ustálení získaných tvarů. Přechod ligninu do pevného stavu je pozvolný, proto je třeba zpočátku udržet tvar pomocí mechanických přípravků. c) Snížení potřebné síly na tváření dřeva je žádoucí, aby použitá přetvářecí síla byla co nejmenší a deformace co největší. Důvodem může být úspora energie nezbytné na ohyb hranolku, méně náročné konstrukce ohýbacích strojů a přípravků a ulehčení náročnosti práce pracovníkům. Působením plastifikačních médií na dřevo dochází ke snížení pevnostních charakteristik dřeva, což souvisí se zvýšením deformovatelnosti Lignin-sacharidová síť Příčinou vnějších projevů plastifikace jsou chemické a fyzikálně-chemické změny vnitřní struktury dřeva. Nehomogennost dřeva na mikroskopické, submikroskopické a chemické úrovni stavby dřeva pomáhá objasnit jeho strukturu (Gandělová et al., 2008). Celulóza vytváří z části amorfní a z části krystalickou strukturu složenou z lineárních polymerních řetězců seskupených až do fibril. Tyto jsou uloženy v síťovité ligninové struktuře. Vzájemné provázání celulózových fibril a ligninu zajišťují 13

14 rozvětvené hemicelulózové řetězce. Dřevo lze tedy považovat za složitý biopolymerní kompozit, někdy též označovaný jako tzv. lignin-sacharidová (LS) matrice síťovité struktury (Gandělová, Šlezingerová, 2005). Dále je zapotřebí identifikovat jaké druhy vazeb se v LS matrici vyskytují. Sacharidy (např. řetězce celulózy) stejně jako lignin se ve svých vnitřních strukturách provazují pomocí společně sdíleného vodíkového atomu (vodíkových můstků) a fyzikálních mezimolekulárních sil. Tyto síly mohou být zastoupeny např. Van der Waalsovými silami, Kusomovými silami, Debyesovými silami, apod. Síla jednotlivých vazeb je dána elektronegativitou atomů účastnících se vazby. Trebula (1989) síť vytvořenou těmito vazbami označuje jako H-síť (vodíková síť). Provázání sacharidů (hemicelulóz) a ligninu nastává prostřednictvím společně sdíleného elektronového páru (kovalentních více či méně polárních vazeb). Tyto vazby mají podstatně vyšší pevnost než vodíkové můstky. Jsou zastoupeny převážně esterovým typem vazeb. Trebula (1989) tuto síť nazývá LS-síť (lignin-sacharidová síť) Mechanismus plastifikace dřeva obecně Změny vlastností dřeva vyplývají ze zhušťování nebo řídnutí těchto sítí (počet a umístění příčných vazeb). Síťovitá struktura LS matrice byla potvrzena i s ohledem na obdobné chování této matrice jako u syntetických polymerů při zvyšování či snižování hustoty sítě. Narušení vodíkových vazeb je poměrně snadné, stačí k tomu pouze navázání molekul polární nízkomolekulární látky (voda, amoniak, močovina) nebo jiný plastifikační prostředek, který rozruší vazby mechanicky (různé druhy záření kmitání), nebo jejich kombinace. Narušení kovalentních vazeb je výrazně obtížnější, což vyplývá z vyšších hodnot vazebné energie oproti vodíkovým můstkům. Dochází k němu působením plastifikačních prostředků s větším důrazem na okolní podmínky plastifikace. Narušením esterových vazeb mezi hemicelulózami a ligninem, jako hlavní součásti střední lamely mezi buňkami, je umožněn posun na úrovni celých elementů vůči sobě. Po přemístění elementů mohou vznikat nové esterové vazby. Proces plastifikace je zpravidla doprovázen nevratnými změnami vlastností dřeva vznikajícími na základě změny chemického složení dřeva při reakcích plastifikačního prostředku se dřevem v daných podmínkách (Trebula, 1989). 14

15 3.2.4 Způsoby plastifikace dřeva Efektu plastifikace se dosahuje více způsoby, jež se liší podle druhu plastifikačního prostředku a podmínek okolí (teplota, tlak, čas, atd.). Způsoby plastifikace lze zařadit do těchto skupin (Trávník, 2007, 2008) a) Hydrotermická plastifikace (paření, vaření, ukládání do horkého mokrého písku, kombinace s předlis. rovnoběž. s vlákny) b) Elektromagnetický ohřev (vysokofrekvenční ohřev, mikrovlnný ohřev, infračervené záření, laser) c) Chemická plastifikace (čpavek, močovina, taninový roztok) d) Ostatní (ultrazvuk, nahřívání nad plamenem) Práce se dále podrobněji zabývá pařením, vařením, vysokofrekvenčním ohřevem, mikrovlnným ohřevem, amoniakalizací a hydrotermickou plastifikací v kombinaci s předlisováním hranolků rovnoběžně s vlákny. 3.3 Ohýbání Účelem ohýbání je dát rovnému dílci požadovaný zakřivený tvar a zajistit jeho tvarovou stabilitu Teorie ohybu Volný ohyb neplastifikovaného dřeva Při ohýbání jsou nuceny se vlákna nacházející se na vnější (konvexní) straně ohybu prodlužovat (jsou namáhány tahem) a vlákna na vnitřní (konkávní) straně ohybu jsou nuceny se stlačovat (jsou namáhány tlakem), avšak pouze do určité meze (maximálního přetvoření) a poté dochází k nutnému posunu vrstev po sobě ke smyku. Je-li i nadále zmenšován poloměr ohybu, dojde k prasknutí na konvexní straně namáhané na tah i přesto, že pevnost v tahu podél vláken je vyšší než pevnost v tlaku podél vláken. Ve skutečnosti dojde k narušení struktury vláken nejprve na tlakové straně, ale bez výrazného viditelného projevu. Elementy na tlakové straně se v této fázi mírně zkracují 15

16 (harmonikový efekt), příp. se do sebe zasouvají a posunují po sobě. Vlákna mohou také lokálně vybočit, což se projeví zvlněním povrchu. Na straně tahové jsou vlákna natahovány, ale pro velmi malou průtažnost (do 1 %) se porušují lomem. Rozhraní mezi tlakovou a tahovou zónou tvoří tzv. neutrální osa, ve které nedochází k žádnému natahovaní či zkracování vláken (konstantní délka). Za předpokladu stejného modulu pružnosti dřeva v tlaku a tahu v oblasti pružného namáhání se u neplastifikovaného hranolku neutrální osa nachází přesně uprostřed jeho tloušťky, tedy souhlasně s jeho geometrickou osou (Blažek, 2007). Neplastifikované dřevo není schopno prodlužování či zkracování vláken v dostatečné míře, příp. odpovídajícího posunu elementů po sobě bez porušení celistvosti hranolku. Dřevo je typické při zatížení dlouho neznatelným deformačním projevem, až dojde náhle k porušení celistvosti (Gandělová et al, 2008). Volný ohyb plastifikovaného dřeva Plastifikací se neutrální osa částečně posune z poloviny asi do dvou třetin tloušťky hranolku ve prospěch tlakové strany. Posun osy je vždy směrem k vyššímu modulu pružnosti. Důvod posunu neutrální osy spočívá v rozdílném působení vlhkosti na snížení pevnosti a pružnosti dřeva při jednotlivých způsobech namáhání. Modul pružnosti v tlaku podél vláken je více snížen než modul pružnosti v tahu podél vláken, čímž je dosaženo posunu neutrální osy k vnější straně ohybu (Gandělová et al., 2008). Ohyb s pásnicí Pásnice je ocelový pás opatřený na konci pevnými zarážkami, které nedovolí prodlužování vrstev a následně praskání hranolku. Účelem je co nejvíce posunout osu tak, aby byla maximalizována část tloušťky hranolku, ve které jsou dřevní vlákna namáhána na tlak. Jak již bylo praxí ověřeno použitím pásnice se dokonce podařilo neutrální osu vysunout z hranolku úplně (neutrální osa se nachází mezi pásnicí a hranolkem). Modul pružnosti u oceli je asi 20x vyšší než u dřeva. Klíčovým prvkem jsou koncové zarážky, které vytváří čelní tlak a nedovolí prodloužení dřevních vláken. Tlakové straně se může odlehčit posunem zarážky o max. 2 %, tj. o mez tahové deformace dřeva podél vláken v plastifikovaném stavu (Trávník, 2008). 16

17 3.3.2 Metody ohýbání Metoda ohýbání se volí podle požadovaného tvaru ohybu, kvality ohýbání a druhu plastifikace. Metody ohýbání lze zařadit do následujících skupin. a) Ohýbání podle formy ruční nebo strojní podle přesně daného tvaru, přičemž volné prodloužení vrstev namáhaných na tah je možné. b) Ohýbání podle formy s pásnicí ruční nebo strojní, přičemž volné prodloužení vrstev namáhaných na tah není možné. Pro dosažení přesného tvaru ohybu a shodnosti dílců při opakované sériové výrobě je nutné při ohýbání dřeva vždy použít formu (šablonu). Přesnost tvaru a její opakovatelnost je důležitá z pohledu následného konstrukčního opracování a montáže Pomůcky k ohýbání Formy (šablony) při ohýbání dřeva se nazývají tvárnice. Tvárnice může být konstruována jako tvarový prvek, na který se hranolek přitlačí, popř. se na něj navíjí nebo jako lisovací desky (matrice a patrice) obvykle s vysokofrekvenčním ohřevem. Pásnice jedná se o ocelový pás, který se napíná na vnější stranu ohybu. Je vyroben z nerezového plechu nejčastěji o tl. 0,75 0,8 mm. Jestliže nejsou pásnice vyrobeny z nekorozivního materiálu, vkládá se mezi pásnici a hranolek vložka (tvrdý papír, dýha, hliníková fólie) nebo je pásnice pogumovaná. Ve vazbě na způsob ohýbání se používá více druhů pásnic. Při ohýbání s použitím pásnice se nejprve plastifikovaný hranolek vloží do pásnice a poté je natvarován podle tvaru tvárnice (Trebula, 1989). Svorky a spony používají se k dočasné fixaci vytvořeného ohybu, protože vzniklá deformace není plně plastická a stabilizace ohybu nastává až po úplném odeznění plastifikačních účinků. Hranolek se fixuje buď přímo k tvárnici nebo se zajistí hranolek s pásnicí a z tvárnice se sejme. Stabilizace hranolků se provádí v zafixovaném stavu. Při ohýbání v tvarovém lisu s vysokofrekvenčním ohřevem probíhá stabilizace po vytvoření ohybu v uzavřeném lisu, dočasnou fixaci zajišťují lisovací desky. Při ohýbání dřeva předlisovaného rovnoběžně s vlákny není nutná dočasná ale trvalá fixace. Trvalá fixace se provádí připevněním na stabilní podklad (Trávník, 2007). 17

18 3.3.4 Způsoby ohýbání a) Ruční ohýbání tato práce je fyzicky velmi náročná, což je způsobeno jednak charakterem materiálu, který má navzdory plastifikaci poměrně vysoké hodnoty pevnostních vlastností (z pohledu lidských sil) a jednak podmínkami plastifikace (většinou vysoká teplota hranolku, popř. i okolního prostředí, zdravotní závadnost). Kromě fyzické zdatnosti vyžaduje ruční ohýbání značnou zručnost a zkušenost, bez které se pracovník neobejde. V současné době se ruční ohýbání používá převážně na velmi složité ohyby, tj. takové, které nelze zatím strojně produktivně vyrábět. Většinou se jedná o ohyby, které jsou zakřiveny ve více rovinách (3D ohyby). b) Strojní ohýbání odstraňuje namáhavou práci, zvyšuje produktivitu práce a snižuje zmetkovitost. Nevyžaduje tak značné zkušenosti a vědomosti jako ohýbání ruční. Na strojích je možno ohýbat hranolky s pásnicí nebo bez pásnice. Otevřené ohyby (různé tvary i excentrické) se vyrábí na ramenových ohýbačkách či v tvarových lisech, uzavřené ohyby na navíjecích ohýbačkách. Kombinovaný způsob ručního i strojního ohýbání se využívá u dřeva předlisovaného rovnoběžně s vlákny. Strojní ohýbání se provádí na tzv. zakružovačkách, které slouží k předtvarování, konečné dotvarování se provede ručně připevněním k pevnému podkladu (Trávník, 2007). 3.4 Stabilizace tvaru Po vytvoření ohybu je třeba odstranit přechodné změny mechanických vlastností materiálu vyvolané plastifikací, aby nedošlo k nežádoucí změně tvaru vytvořeného ohybu působením vnějších sil při dalším opracování a následně užívání výrobků z tohoto materiálu. Omezí se i vnitřní pnutí v hranolku, protože vzniklá změna tvaru není plně plastická a obsahuje určitý podíl deformace pružné a pružné v čase. Stabilizace nastává po ukončení působení plastifikačních prostředků na dřevo. Plastifikační účinek má však určitou setrvačnost, která závisí především na obsahu vlhkosti. Po úplném odeznění plastifikačních účinků vznikají opět vazby o pevnosti srovnatelné s pevností vazeb ve dřevě před plastifikací. 18

19 Při extrémních podmínkách plastifikace (chemikálie, vysoká teplota, dlouhá doba procesu) může dojít k trvalému poklesu pevnosti. Příčinou bývají změny v chemickém složení, úbytek vazebných míst, částečné odstranění některých látek ze dřeva. Stabilizace probíhá u jednotlivých způsobů plastifikace různě. Řízení tohoto procesu se provádí podle složitosti ohybu, tloušťky hranolku, druhu dřeviny, metody ohýbání a zvoleného způsobu plastifikace (Trebula, 1989). 3.5 Výroba ohýbaného nábytku z pohledu plastifikace pařením Pařením je možné dosáhnout přechodných i trvalých změn vlastností dřeva. K přechodným změnám lze zařadit dočasné změny fyzikálních a mechanických vlastností, tedy snížení pevnostních charakteristik. Tyto změny jsou zapříčiněny fyzikálními a fyzikálně-chemickými změnami ve struktuře dřeva a využívají se jako příprava dřeva před lisováním, výrobou dýh a ohýbáním. Změny trvalé (doprovodné) jsou zastoupeny změnou barvy, odstraněním skvrn, barevnou egalizací, egalizací vlhkosti (snížení vlhkostního spádu), sterilizací, uvolněním růstových a zbytkových napětí, mírné trvalé zhoršení pevnosti při extrémních podmínkách paření (vysoká teplota, příliš dlouhá doba). U změn trvalých se obvykle jedná o změny chemického složení. Podle charakteru působení páry je možné rozdělit paření na přímé a nepřímé. K paření nábytkových hranolků určených pro ohýbání se využívá přímého působení páry na hranolky (Dejmal, 1995) Mechanismus plastifikace pařením K rozvolnění síťovité struktury LS matrice dochází navazováním molekul vody a působením tepla, popř. jejich kombinací. Příčné vazby v BS jsou narušovány molekulami vody, které se přes vodíkové můstky navazují mezi původně spojené hydroxylové skupiny sousedních celulózových fibril, čímž dochází k jejich oddalování od sebe, tzn. řídne H-síť. Čím více se od sebe fibrily oddalují (roste počet navázaných molekul vody), tím nižší je koheze (vnitřní soudržnost) mezi nimi. Makroskopicky se oddalování segmentů projevuje bobtnáním dřeva. Ztrátou vnitřní soudržnosti klesají pevnostní charakteristiky a zvyšuje se deformovatelnost dřeva. Molekuly vody jsou mezi sebou sice provázány vodíkovými můstky, ale jejich náboj je centralizován kyslíkem hydroxylové skupiny dřeva. Nejsilněji jsou tedy vázány molekuly vody nejblíže tomuto kyslíkovému atomu. 19

20 S rostoucí vzdáleností navázaných molekul vody od tohoto centrálního atomu se vazná síla zmenšuje. Dosáhne-li se určité vzdálenosti fibril, tj. naváže-li se dostatečný počet molekul vody, je možné porušení těchto příčných vazeb a posun řetězců či fibril po sobě působením vnější síly vyvinuté při ohýbání. K narušení esterových kovalentních vazeb mezi hemicelulózami a ligninem je třeba větší energie, ta se dodává ve formě tepla. Narušení těchto vazeb rovněž snižuje hodnoty mechanických vlastností, navíc může docházet vlivem vyšší teploty až k úplnému oddělení fragmentů sítě a jejich následný přechod do roztoku. Oddělené fragmenty dále reagují s vodou nebo mezi sebou navzájem za vzniku mj. i organických karboxylových kyselin, které působí jako katalyzátor dalších štěpných reakcí. K tomuto ději dochází např. při odštěpování fragmentů pentozanů, jež jsou součástí hemicelulóz listnatého dřeva. Zvýšená teplota způsobuje také přechod ligninu jako termoplastické hydrofobní látky do vizkoelastického až plastického stavu překročením teploty skelného přechodu. Tím je umožněna změna tvaru elementů, resp. jejich BS (Trebula, 1989) Plastifikace pařením a) Optimální počáteční vlhkost hranolků uvádí se těsně pod mezí hygroskopicity (MH), tj. asi %. Tato vlhkost zajistí maximální plastifikační účinek. Při nižší vlhkosti by mohlo docházet k vadám při ohýbání v důsledku nepostačující plastifikace. V případě vyšší počáteční vlhkosti hranolků by vznikaly vady při ohýbání v důsledku hydrostatického tlaku kapalné vody volné (nad MH) a zároveň k neúměrnému prodloužení procesu stabilizace ohybů. Proces plastifikace velmi ovlivňuje hygroskopicita dřeva, tj. schopnost přizpůsobovat svou vlhkost podmínkám (teplotě a relativní vlhkosti vzduchu) okolního prostředí. Při plastifikaci by nemělo docházet ke změnám optimální vlhkosti hranolků, aby se využil její maximální kladný vliv na plastifikační účinek. Úkolem tedy je zajistit podmínky plastifikace odpovídající RVD %. Tomu při teplotě páry C, odpovídá 100% vlhkost vzduchu, čili nasycená vodní pára (Vaněk, 1952). b) Plastifikační média jsou jimi nasycená vodní pára a teplo. U nasycené vodní páry další zvyšování vlhkosti vede ke kondenzaci čili kapalnění plynné vlhkosti. Pára je schopná pojmout jen určité množství vlhkosti, její absorpční schopnost je omezená. Pokud se sníží vlhkost vzduchu jen o 10 % z maxima, tj. na 90 %, RVD klesne asi na polovinu optimální vlhkosti, tj. na %, což je naprosto mimo optimální rozsah. 20

21 Nasycená vodní pára zabrání také snižování vlhkosti v povrchových vrstvách hranolků při založení do páry. Příčinou částečného vysychání povrchových vrstev je velký počáteční rozdíl v teplotě dřeva (25 C) a páry ( C). Nasycená vodní pára zároveň omezí vznik vnitřního pnutí v hranolku, které je největší na začátku procesu paření. Je vyvoláno jednak gradientem teplot, jelikož se dřevo prohřívá od povrchu ke středu, a jednak gradientem vlhkosti středových a povrchových vrstev hranolku. Nekorigované vnitřní pnutí by mohlo vést až k porušení dřeva v povrchových vrstvách při překonání meze pevnosti v tahu napříč vláken. Hranolky se začnou po uložení do páry ohřívat teplem, které páře odebírají, čímž se nastoluje teplotní rovnováha. Teplota hranolků se zvyšuje, teplota páry se snižuje. Snižováním teploty páry zároveň klesá její absorpční schopnost, tzn. množství vlhkosti, které je schopna udržet. Přebytečná vlhkost kondenzuje na nejchladnějším místě soustavy tedy na hranolcích. Sražená vlhkost je částečně přijímána povrchem hranolků, čímž dochází k zamezení vzniku trhlin a korekci vnitřního pnutí. Příjem zkondensované páry je největší na začátku paření, což odpovídá rychlosti srovnávání teploty hranolků a páry. V procentním vyjádření má pára stále 100% vlhkost, protože kapalní vždy pouze přebytečná část vlhkosti. Ve výsledku je vlhkost hranolku udržena na optimální hodnotě, přičemž povrchové vrstvy mají mírně vyšší vlhkost (Vaněk, 1952). c) Podmínky plastifikace především se jedná o teplotu, tlak a čas. Teplota páry a hranolků optimální teplota páry, která poskytuje podmínky pro postačující plastifikační účinek, je C. Vstupní teplota hranolků by se měla pohybovat kolem C (dílenská teplota v ohýbárně). Hranolky zmrzlé zbytečně prodlužují dobu paření a vznikají větší ztráty v teplotě páry, navíc při působení horké páry dochází k pulsaci BS (led voda pára), což nepřispívá ke správné plastifikaci. Tlak páry úzce souvisí s teplotou plynu (páry). S rostoucím tlakem se zvyšuje i teplota páry. Zvýšením tlaku vzduchu nad hladinou vody při výrobě páry se ztíží unikání molekul z kapaliny do vzduchu, molekuly musí překonat větší odpor, který je tlačí zpět do kapaliny. K tomu je zapotřebí molekulám dodat více energie, tedy více je ohřát. K varu vody je potřeba vyšší teploty než 100 C postačující při běžném atmosférickém tlaku vzduchu. Nízkotlaká pára teplotě C odpovídá tlak 1,02 1,05 N.mm -2, tj. přetlak 0,02 0,05 N.mm -2. Rychlost plastifikace roste s třetí mocninou tlaku páry. S postupem času paření se vliv tlaku zmenšuje. 21

22 Vysokotlaká pára maximální hodnota tlaku takto upravené páry byla stanovena na 1,2 N.mm -2 čili přetlak 0,2 N.mm -2, čemuž odpovídá teplota páry asi 120 C. Vyšší teplota páry umožňuje lepší sterilizaci a přechod méně žádaných doprovodných látek do roztoku zkondensované páry. Používání vysokotlaké páry však přináší více nevýhod. Mezi nejzávažnější se řadí částečné poškození dřeva, ztmavnutí barvy v důsledku chemických změn a snížení bezpečnosti práce (Vaněk, 1952). d) Doba plastifikace je dána druhem dřeviny, příčným průřezem hranolku (resp. tloušťkou), počáteční vlhkostí a teplotou hranolků, náročností ohybu, zaplněním pařící nádoby hranolky, obsahem vzduchu v pařící nádobě. Dobu paření také ovlivňuje tlak a teplota páry, avšak s ohledem na používání stále stejných parametrů těchto veličin se berou jako konstanty. Značný počet ovlivňujících činitelů znesnadňuje teoretické stanovení potřebného času na paření. Přesto existuje celá řada vztahů a pouček, podle kterých lze přibližně dobu paření stanovit. Jedno z obecných pravidel říká, že doba plastifikace končí, jakmile dojde k vyrovnání teploty páry a povrchových vrstev hranolku (uvádí se asi C, teplota středových vrstev je asi 90 C) a zvlhne-li dřevo na stupeň vlhkosti daný fyzikální rovnováhou při této teplotě. Další prodlužování času paření již významně nezlepší plastifikační účinek, spíš se začínají projevovat nežádoucí účinky jako ztmavnutí barvy, deformace tvaru, vyšší hodnoty bobtnání vysušených ohybů při styku s vlhkostí. Obvykle se však doba paření stanovuje experimentálně. Vypozorované závislosti se následně zanáší do grafů pro snadnější určení času paření. V praxi je hlavním kritériem pro určení doby paření tloušťka hranolku a požadovaná kvalita ohybu. Podrobněji se určením doby plastifikace zabývá Vaněk (1952), Trávník (2008) a Trebula (1989). Časy stanovené teoreticky je obvykle třeba prodlužovat, kvůli těsnému uložení hranolků vedle sebe a většinou chybějícímu odvzdušnění pařící nádoby. Ukládáním hranolků s prokladovými laťkami se zkrátí čas paření a plastifikace je rovnoměrnější. Na druhou stranu se sníží zaplnění nádoby a prodlužuje se čas manipulačních prácí. Odvzdušněním pařící nádoby se zkrátí čas paření asi o % a zlepší se rovnoměrnost teploty. Vzduch zde působí jako izolant. e) Plastifikační zařízení pařit dřevo je možné v komorách, jámách, zvonech, kotlích a autoklávech. Pro paření nábytkových hranolků jsou vhodné autoklávy, což jsou nádoby s těsným uzavíráním a zabudovaným přívodem páry. Svými rozměry jsou 22

23 přizpůsobeny pro účely paření nábytkových hranolků. Nábytkové hranolky určené k ohýbání vyžadují velmi rychlé zpracování, protože účinek přechodné plastifikace po vyjmutí z autoklávu velmi rychle slábne. Pro hranolky o příčném průřezu mm je doba zpracování stanovena na minut (Trávník, 2007). Příčina tkví v naprosto odlišných podmínkách uvnitř autoklávu a jeho okolí (T = 30 C, RVV = %). Z toho důvodu je třeba vždy vytáhnout z autoklávu pouze takové množství napařených hranolků, které je možné do stanovené doby zpravovat. Ostatní hranolky jsou drženy v autoklávu, avšak již bez přetlaku páry, aby nedocházelo k nežádoucímu prodlužování doby paření. Hranolky je možné držet v autoklávu pouze omezenou dobu. Proto není vhodné použít nepřiměřeně velkých nádob. Autoklávy jsou ocelové nádoby kruhového nebo obdélníkového průřezu uložené horizontálně s mírným sklonem pro odvod kondenzátu. Použití nekorozívního materiálu je nezbytné. Výhodná je konstrukce autoklávu komůrkovitě děleného, pracujícího nepřetržitě. Základní tvar je válcový, který je uvnitř komůrkovitě rozdělený radiálními přepážkami upevněnými na společné středové hřídeli, jejíž konec vycházející z autoklávu ven je opatřen klikou. V čelním víku bubnu jsou malá dvířka otvíratelná nožní pákou, která zpřístupňují pouze jednu komůrku autoklávu. Čas plastifikace je dán dobou jedné otáčky komůrky. Konstrukčními zásadami při navrhování autoklávu se zabývá Vaněk (1952). Hranolky se ukládají do autoklávu tak, aby měly obvodové hranolky plochu, která bude přiléhat k pásnici, nastavenou pro možnost omývání parou Ohýbání Provádí se téměř všemi uvedenými způsoby. Ruční ohýbání je ztíženo vysokou teplotou hranolků (95 97 C) i okolního prostředí (30 35 C). Při paření se totiž částečně přenáší plastifikační prostředí z autoklávů do ohýbárny, což je způsobeno nezbytnou blízkostí pařících zařízení u tohoto pracoviště (nutnost rychlého zpracování) Stabilizace tvaru po plastifikaci pařením Nastává snížením vlhkosti a teploty hranolků, čímž se stabilizují nově vzniklé vazby (tvar dílce) a dřevu se navrací původní vlastnosti (hlavně mechanické), i když některé změny jsou již nevratné např. změna barvy. Úplná stabilizace proběhne po vyrovnání vlhkosti a teploty hranolků s dílenským prostředím (T = C a RVV = %), tzn. po nastavení RVD 8 ± 2 %. Tato RVD odpovídá podmínkám prostředí, ve kterém budou výrobky z ohýbaných hranolků použity. Vytvořené ohyby tedy stačí 23

24 zafixovat a nechat uložené na dílně. Tento postup je značně neproduktivní, proto se ústup plastifikačního účinku urychluje umělým sušením. K urychlení dochází zvýšením teploty vzduchu a snížením RVV. Celková doba stabilizace se umělým sušením zkrátí na max. 24 hodin při použití nejměkčího režimu sušení (Trávník, 2007). Ke stabilizaci ohybů je možné použít ostřejší režimy sušení, protože struktura dřeva je po paření narušena a nově vzniklé vazby ještě nemají dostatečnou pevnost, tzn. je umožněno větší pracování dřeva během sušení bez porušení celistvosti. Vedle toho procházejí hranolky procesem sušení i s pásnicemi, popř. i s tvárnicemi. Sušící prostředí lze regulovat pomocí teploty, RVV a rychlosti proudění vzduchu, popř. tlakem vzduchu. Konkrétní hodnoty těchto parametrů se nastavují podle tloušťky hranolku, složitosti ohybu, vstupní vlhkosti a dřeviny. Od konkrétního nastavení parametrů sušícího prostředí se odvíjí doba stabilizace. Druh dřeviny v ČR se používá hlavně buk. V menší míře se používá jasan pro svou větší houževnatost na výrobky, u kterých se předpokládá rázový typ zatěžování. Výstupní vlhkost ohybů je téměř konstantním parametrem. Pohybuje se v rozmezí %. Na tuto vlhkost se hranolky upravují již před plastifikací, avšak ne vždy se podaří u všech hranolků udržet stejnou vlhkost. V případě zjištění větších odchylek (více jak 10 %) u některých hranolků se nastaví podmínky sušení podle nejvyšší vlhkosti, ale pouze za stejných ostatních podmínek (Dejmal, 1995). Příčný průřez hranolku je rozhodující faktor. Čím větší průřez hranolek má, tím větší gradienty vlhkosti a teploty v jeho průřezu vznikají. Určitý vlhkostní a teplotní spád je hnací silou sušení a nelze se mu ani vyhnout. Vlhkostní a teplotní spád však v průřezu hranolku vyvolává vnitřní pnutí, k čemuž přispívá zakrytí některých ploch hranolku pásnicemi, popř. i tvárnicemi, které brání přístupu vzduchu i úniku vlhkosti z hranolku. V krajním případě je překonána pevnost dřeva v tahu napříč vláken a dojde ke vzniku trhlin. Se zvětšujícím se příčným průřezem hranolku se doporučuje volit mírnější režim sušení. Složitost ohybu je vyjádřena poměrem tloušťky hranolku ku poloměru ohybu (h/r), tj. koeficientem ohýbatelnosti. Čím složitější ohyb, tím větší napětí v hranolku vzniká. Napětí se během stabilizace snižuje, až do chvíle, kdy vazby ve struktuře dřeva dosáhnou původní pevnosti. Čím složitější ohyb, tím mírnější podmínky sušení. Konkrétní hodnoty teploty se v literárních zdrojích liší, pohybují se v rozmezí C. Konkrétní hodnoty RVV se také různí, průměrně lze uvést rozmezí %. Rychlost proudění vzduchu v sušárně se uvádí v rozmezí hodnot 0,5 4 m.s -1. Pro 24

25 zajištění rovnoměrnosti proudění vzduchu v průřezu sušárny doporučuje Trebula (1989) asi 2 m.s -1. Používá se normálního atmosférického tlaku vzduchu (teplovzdušné sušárny), výjimečně mírný podtlak v případě sušení ve vakuových sušárnách. Sušící podmínky by se měly pro zachování přibližně stejné rychlosti sušení v průběhu stabilizace zostřovat. Vyplývá to z teorie sorpce, podle které se vazebná energie molekul vody snižuje se zvětšující se vzdáleností od vazebného centra (-OH skupiny dřeva). Molekuly vody v těsné blízkosti -OH skupin vyžadují pro odtržení dodání většího množství energie (tvrdší podmínky sušení) (Horáček, 2008). Neúměrné přitvrzení podmínek vede ke vzniku tak velkého vnitřního pnutí v hranolku, které překoná mez pevnosti dřeva v tahu napříč vláken a dojde k tvorbě trhlin. Podmínky však nelze přitvrzovat neúměrně, což platí dvojnásob právě při sušení ohybů. Sušárny bývají komorového typu, výjimečně i tunelové. Trávník (2008) uvádí, že pro ustálení tvaru postačuje snížení vlhkosti hranolků na % Klimatizace ohybů Vlivem sušení ohybů i s pásnicí, popř. i s tvárnicí není možné dosáhnout stejné vlhkosti v celém průřezu hranolků. Stejně tak vznikají rozdíly ve vlhkosti jednotlivých dílců (nerovnoměrnost sušení, odlišná počáteční vlhkost). Klimatizace dílců snižuje, popř. odstraňuje tyto nedostatky sušení. Podstatou je uložení ohybů v podmínkách odpovídajících požadované RVD 8 ± 2 %. Někdy se pro urychlení procesu využívá teplot kolem 30 C a RVV %. Celý proces trvá 6 20 dnů. V počáteční fázi probíhá ochlazování ohybů ze sušárny po dobu asi 2 3 hodin, po ochlazení se ohyby vyjímají z pásnic, popř. tvárnic. 3.6 Výroba ohýbaného nábytku z pohledu plastifikace dřeva vařením Místo termínu vaření je z fyzikálního hlediska lépe používat termín ohřev ve vodě (voda nedosahuje teploty varu), ale pro četný výskyt v odborné literatuře bude termín vaření dřeva v práci zachován Mechanismus plastifikace vařením Mechanismus plastifikace je velmi podobný jako u plastifikace pařením. Opět se jedná o navazování molekul vody pomocí vodíkových můstků na hydroxylové skupiny celulózových a hemicelulózových řetězců v BS, tzn. jejich oddalování od sebe. Nastává ztráta jejich soudržnosti, což se projeví snížením pevnosti dřeva. To umožní ohýbání 25

26 hranolku bez porušení celistvosti. K oslabení vazeb v LS matrici napomáhá i zvýšená teplota, která dodává potřebnou desvazebnou energii k narušení esterových vazeb. Jejím účinkem se snižuje soudržnost jednotlivých komponentů LS matrice a dochází k přechodu ligninu, jako látky termoplastického charakteru až do plastického stavu Postup plastifikačního média hranolkem Prvotně se vodou zaplňují strukturní dutiny dřeva a dochází k jeho celkovému obklopení kapalnou vodou. Druhotně se navazují molekuly vody do BS. Při vaření hranolků obvyklých průřezů dochází k zaplavení strukturních dutin jen v povrchových vrstvách, proto není plastifikační účinek rovnoměrný. Postup kapalné vody dutinami je tak pomalý, že dříve než stačí voda projít dále, je absorbována BS. Příčinou je větší počet molekul vody na jednotku objemu než u vodní páry a provázanost molekul vody vodíkovými můstky. Tato přirozená struktura vody se zejména projeví u příčného průchodu buňkami, kdy průchod přes ztenčeniny (otvory v margu) je značně ztížen. Také Makrobrownův pohyb molekul vody je oproti plynnému skupenství omezen. Po úplném zaplnění BS vlhkostí začne zůstávat voda v dutinách, nejprve v povrchových vrstvách a postupně i ve středových vrstvách. Pokud je proces přijímání vlhkosti přerušen před dosažením rovnováhy, nelze se při běžně používaných průřezech hranolků vyhnout vlhkostnímu spádu, který roste s rostoucí tloušťkou hranolku. S vlhkostním spádem souvisí i rozdíl mezi teplotou ve vrstvách povrchových (přímý kontakt s horkou vodou) a středových, do kterých ještě teplo v plné míře neproniklo. Příčina tkví ve větší tepelné vodivosti vody (asi 10x větší než u vzduchu). Zjednodušeně platí, že více vlhké části jsou více ohřívány. K určitému šíření tepla dochází rovněž vedením dřevní substancí. Obvykle se však nestačí teploty vyrovnat, než uplyne doba potřebná pro plastifikaci. Oba gradienty nelze snižovat prodloužením doby vaření. Plastifikační účinek se nezvýší a dojde ke zhoršení vlastností hranolků po stabilizaci (zvýšení bobtnání dřeva při styku s vyšší vlhkostí, ztmavnutí barvy). Vyšší obsah vody v dutinách buněk je nežádoucí i z pohledu ohýbání a stabilizace (Trebula, 1989) Plastifikace dřeva vařením Vaření se považuje za jednu z prvních metod plastifikace dřeva. Po vyřešení problému praskání hranolků silnějších dimenzí na vnější straně ohybu, tj. vynálezu pásnice, se z titulu zprůmyslnění výroby a značných nevýhod vaření zavedlo paření. 26

27 a) Optimální počáteční vlhkost hranolků měla by být o několik procent nižší než při paření (zhruba 25 %). Vaření hranolků s jinou než optimální vstupní vlhkostí je účelné pouze při nižší vstupní vlhkosti. Hranolky s vyšší vlhkostí svou vlhkost nesníží, naopak v povrchových vrstvách zvýší, tzn. nebudou použitelné pro výrobu ohybů. Plastifikace vařením je proto výhodná u hranolků s nižší vstupní vlhkostí (pod 20 %), tj. vyžaduje-li se značné zvýšení počáteční vlhkosti suchých hranolků. Výhodou oproti paření, které by se dalo na takové hranolky také použít, je kratší doba potřebná na dosažení optimální vlhkosti pro plastifikaci % (Vaněk, 1952). b) Plastifikační média je jím voda ve skupenství kapalném v kombinaci se zvýšenou teplotou. Charakter plastifikačního média způsobí při plastifikaci vařením vždy zvýšení vlhkosti dřeva. V důsledku hygroskopicity dřevo směřuje k maximálnímu nasycení vlhkostí, tj. k zaplnění všech dutin volnou vodou. Tento rovnovážný stav je však nepřípustný, protože nestlačitelná voda bude při ohýbání působit hydrostatickým tlakem na BS, čímž může dojít k praskání dřeva. Zároveň je neúměrně prodlužována doba stabilizace. Snahou je tento vyrovnávací proces přerušit v okamžiku, kdy již bude dosaženo požadované plastifikace, tzn. obsah vody vázané bude maximální a zároveň budou nežádoucí doprovodné jevy na minimální úrovni. c) Podmínky plastifikace využívá se nulové rychlosti proudění (stojatá voda), tlak je odvozen pouze od tlaku vodního sloupce. Jediným parametrem, který se nastavuje, je teplota vody. Optimální teplota se pohybuje od 90 do 95 C, tj. těsně pod bodem varu. Bodu varu by nemělo být dosaženo, aby nedošlo ke značnému vyvíjení páry. Ohřev vody nejčastěji zajišťují topné trubky uložené na dně nádoby, ve kterých proudí horký olej, voda nebo pára (Trebula, 1989). d) Doba plastifikace je dána počáteční vlhkostí hranolků, rozměry a druhem dřeviny. Při plastifikaci hranolků s optimální vstupní vlhkostí se plastifikační proces ukončuje po dosažení určité teploty ve středu hranolku. V případě značně nižší vstupní vlhkosti (pod 20 %) se volí taková doba, aby došlo k úpravě vlhkosti na optimum a dostatečnému prohřátí celého průřezu hranolku. Např. pro bukový hranolek o příčném průřezu mm s počáteční vlhkostí % se udává potřebná doba 90 minut (Vaněk, 1952). 27