Dřevo jako biopolymer, popis. Dřevěné konstrukce 3. Proužek má délku 300 μm

Transkript

1 Dřevo jako biopolymer, strukturní popis Dřevěné konstrukce 3 Proužek má délku 300 μm 1

2 Hierarchie strukturního popisu viditelná struktura lupa mikro- nanostruktura Směr popisu při výkladu 2

3 Chemie dřeva: prvky a biopolymery Podíl chemických prvků uhlík kyslík vodík ostatní Podíl biopolymerů celulóza hemicelulóza lignin 3

4 Co jsou to biopolymery Hlavní tři chemické prvky (C, O, H) jsou chemicky kombinovány do komplexních molekul: CelulózyC n (H 2 O) n 1 Hemicelulózysacharidové jednotky, velmi proměnné složení Ligninu(fenylpropanová jednotka) Během růstu dřeva (výstavby mikrostruktury) se tyto jednotky řetězí do polymerních řetězců. Vzniklé polymerní řetězce jsou základní příčinou strukturní integrity dřeva. 4

5 Vznik biopolymerů živá buňka, biomasa Základní stavební jednotka všech organismů, schopná nezávislého života, je buňka. Rostlinná buňka řádově 0,1-100μm. Základní rozdíl mezi buňkou organismů a buňkou rostlin buněčná stěna vně buněčné membrány není pohyblivá Propůjčuje rostlinám tuhost Vnitřní přetlakv buňce až 1 Mpa Plasmatická membrána syntetizuje látky pro výstavbu buněčné stěny (celulózu, hemicelulózu i lignin) rostlinná biomasa buněčná stěna Základní části živé rostlinné buňky: Mitochondrie: produkují ATP( nosiče a distributoři energie v buňce) Chloroplast: transformační energetický systém ( sluneční energie na chemickou, nabíjí ATP) Jádro (nucleus): genetická informace, DNA Endoplazmatické rektikulum: syntéza a třídění proteinů (=biopolymerů, surovina pro další výstavbu buňky) Plasmová membrána: selektivní membrána, umožňující shromažďovat a syntetizovat látky pro výstavbu buněčné stěny Vakuola = dutina 5

6 Celulóza Celulóza je hlavní stavební látkou rostlinných buněčných stěn(cca 50% stěny). Strukturní uspořádání celulózy v buněčné stěně: Lineární makromolekula celulózy (až monomerů, u dřevin typicky ) chemická vazba(energie vazby kj/mol) Mikrofibrily: makromolekuly se paralelně uspořádávají (prostřednictvím vodíkových můstků) do seskupení zvaných mikrofibrily(provazce, parakrystality vykazující až z 90% krystalickou, tedy pravidelnou strukturu), cca 50 makromolekul vazba vodíkovým můstkem (energie vazby kj/mol) Mikrofibrily jsou v buněčné stěně ukládány podle instrukcí v DNA; podstatná je orientace. Mikrofibrila je přirozenou biologickou jednotkou a základním stavební kamenem buněčné stěny (lze elektronovým mikroskopem). Mikrofibrila vykazuje vysokou pevnost v tahu. Spirálová orientace mikrofibril u kopřivy (elektronový mikroskop) 6

7 Některé vlastnosti a funkce celulózy Celulóza je nejrozšířenějším biopolymerem na zemském povrchu (asi 33 %). Celulóza patřímezipolysacharidyc n (H 2 O) n 1. Zcela nerozpustná ve vodě Hydrofilní(smáčivá) Mikrofibrily vykazují vysokou pevnost v tahu Primární funkce celulózy ve dřevě: Hlavní materiál buněčné stěny Nositel tahové pevnosti dřeva Základní role při vázání vlhkosti dřevem(rovnovážná vlhkost dřeva). Celulózová vlákna jako surovina chemického průmyslu. Odstraněním ostatních organických sloučenin ze dřeva dostáváme celulózové vlákno surovina zvaná celulóza.celulóza je základní surovinou Pro výrobu papíru Acetát celulózy (reakce s kyselinou octovou) viskóza celofán Nitrace celulózy (reakce s dusíkem) nitrocelulóza střelná bavlna (trhavina) 7

8 Lignin: některé vlastnosti a funkce Lignin tvoří 25% veškeré biomasy na Zemi (druhá nejčastěji se vyskytující organická sloučenina). vysokomolekulární polyfenolická amorfní látka (fenol = karbol = vůně nemocnice ) Síťová(tedy ne lineární) struktura polymeru Hydrofobní látka Amorfní látka v přírodě nacházíme vždy spolu s nějakou jinou látkou(typicky celulóza). Na rozdíl od celulózy odolává málo zásadám ohýbání a tvarování dřeva termoplast, (vhodné dřeviny s vysokým obsahem ligninu, např. buk), rozklad při 140 C(hnědnutí dřeva) Složky Ligninu, zejména Tanin, hydrolyzují působením slabých kyselin, slabých bází nebo tepla.(probarvování omítek na dřevěném podkladu). Ultrazelené hledisko: z hlediska dlouhodobého chování dřeva je smrk zdravější než borovice či jiné dřeviny. Uvolňuje nejméně VOC látek. Primární funkce ligninu ve dřevě: pojivo mezi jednotlivými buňkami vyztužení buněčné stěny nositel tlakové pevnosti dřeva Hydrofobní účinky Jedna z forem Ligninu 8

9 Hemicelulóza: některé vlastnosti a funkce Hemicelulóza cca 20% veškeré biomasy rostlin na Zemi. opět polysacharid, na rozdíl od celulózy ji tvoří celá řada různých monosacharidů. Rozvětvená (tedy ne lineární) makromolekula. Amorfní struktura, v přírodě nacházíme vždy spolu s celulózou. Velmi malé pevnosti. Snadná hydrolýza zředěnými kyselinami za tepla (viz technologie dřeva) Primární funkce hemicelulózy ve dřevě: Váže se na celulózu tak, že s ní vytváří síťovinu Je látkou, na níž se při lignifikaci chemicky (kovalentně) váže lignin Illustration from: Fosket, 1994, Plant Growth & Development: A Molecular Approach, Academic Press Schema2Dsíťoviny vytvářené v buněčné stěně primárně mikrofibrilamicelulózy a rozvětvenými molekulami hemicelulózy (černě). 9

10 Buněčná stěna: struktura a vývoj Stěna živé rostlinné buňky Celulóza ve formě orientovaných mikrofibril (řízeno DNA) je základní strukturou buněčné stěny. Na mikrofibrily se váží řetězce hemicelulózy, které vytvářejí příčně vázanou síťovinu (cellulosehemicellulose network) Lignin proniká do vzniklé sítě, kovalentně se váže na hemicelulózu, vytlačuje vodu a zpevňuje strukturu stěny. asistuje a zpevňuje připojení hemicelulózy k mikrofibrilám. Proces pronikání ligninu do buněčné stěny se nazývá lignifikace. Lignifikované dřevní struktury jsou výchozí surovinou pro DRKO Middlelamella= mezibuněšnástěna: stěna sdílená sousedními buňkami. Primarycell wall=primární buněčná stěna: vrstva zpevňující strukturu buňky, v pozdějších stádiích vývoje se dále strukturuje. Plasmová membrána: fyzický obal živé buňky, separuje komponenty a syntetizuje látky pro stavbu buněčné stěny. 10

11 Lignifikace: odumírání buňky Přirozený proces odumírání buněk se nazývá dřevnatění(lignifikace). Podstata spočívá v ukládání stále většího množství ligninu do buněčné stěny, díky hydrofobii postupně znemožní výživu buňky. Lignifikace způsobuje postupné zvětšení tloušťky stěny trachey z 0,5-1 μmna2-7,5μm. Udřevavzásaděukončenaporoce odumření buňky. Růst obsahu ligninu ve struktuře vede na růst tlakové pevnosti (mechanická funkce), ale na úkor pevnosti tahové. Lignifikace: 1. Živá buňka 2. Formování stěny 3. Počátek lignifikace 4. Odumřelá lignifikovaná buňka 11

12 Základní konstrukční jednotka dřeva: buňka Živé buňky (ve smyslu jejich růstu) obsahuje kmen stromu pouze na posledním vnějším letokruhu. Aktivní buňky (ve smyslu plnění vodivé funkce ) mohou být obsaženy ve více letokruzích, viz dále bělové dřevo. Je třeba odlišovat anatomii listnatého a jehličnatého dřeva. Orientační rozměry vybraných buněk dřevin Typ dřeviny Délka buňky (mm) Příčný rozměr (μm) Tloušťka stěny (μm) Jeličnan (tracheida) 4-5 (10) ,5 Listnáč (céva) 100 (2000 dub)

13 Principiální odlišnost jehličnatého a listnatého dřeva Jehličnany(% objemu dřeva) % tracheidy Velmi pravidelná a jednoduchá stavba Listnáče(% objemu dřeva) 10-40% cévy( tracheidy) 40-70% dřevní vlákna (libriformníbuňky téměř bez dutin, mechanické elementy ) Smrk, borovice Dub, jasan Dřevo listnáčů má komplikovanější anatomii, která se navíc výrazně liší podle konkrétního typu dřeviny(buk, dub, osika, bříza, habr, kaštan, ořech, topol, javor, lípa, vrba + ovocné stromy). Obecně listnáče vzhledem k anatomii: vyšší kompaktnost lepší mechanika, horší permeabilita. 13

14 Mikrostrukturní buněčná stavba jehličnanů I. Základní buňkou jehličnanů je tracheida (90-95% všech buněk Přes 90% tracheid orientace podélné osy kmene Charakteristický rys tracheid: dvojtečky Zbytek tvoří parenchymální buňky, tenkoblanné buňky vytvářející živičné kanálky(rc) a částečně dřeňové paprsky) Žádná buňka není orientována tangenciálně. Cca 10% všech buněk kmene orientováno radiálně. Jedle (spruce) Borovice (red pine) 1 mm 3 jehličnatého dřeva obsahuje přibližně tracheid ( tracheid / m 3 ) 14

15 Buňky na řezu kmenem, stavba kmene Charakteristické rysy kmene stromu: letokruh je tvořený buňkami jarního a letního dřeva jarní dřevo: tenkostěnné buňky, vodivá funkce, délka 2-6 mm, profil čtverec 40 μ, tloušťka buněčných stěn v rozmezí 2-3 μ, hustá tangenciální propojenost dvojtečkami (70-90/tracheidu) letní dřevo: tlustostěnné buňky, mechanická (vyztužovací) funkce, délka 2-7 mm, profil obdélník 20* 40 μ, tloušťka buněčných stěn v rozmezí 3-7 μ, nižší tangenciální propojenost dvojtečkami (8-24/tracheidu) Prostorové znázornění anatomické stavby jehličnatého dřeva (Požgaj, Chovanec a kol., 1997): 1 jarní dřevo 2 letní dřevo 3 letokruh 4 jarní tracheida s dvojtečkami 5 letní tracheida 6 pryskyřičný kanálek (tvořeno parenchymálními buňkami) 7 dřeňový paprsek (tracheidy nebo parenchymální buňky) 8 příčná tracheida 15

16 Jarní a letní buňky jehličnatých dřevin borovice Smrkové dřevo příčný řez, zvětšení 40x: J jarní dřevo L letní dřevo P pryskyřičný kanálek vertikální 16

17 Jarní a letní dřevo listnatých stromů U listnatých dřevin se jarní a letní buňky moc neliší. Obvykle jsou však nerovnoměrně rozdělené (viz cévy). 17

18 Struktura lignifikovaného dřevní hmoty Struktura lignifikované buňky Rozhodující částí odumřelé buňky je buněčná stěna, která se v čase strukturuje z primární buněčné stěny (sekundární stěna). Podstatná je orientace mikrofibril: hlavní část sekundární stěny má mikrofibrily orientované od podélné osy buňky. To dodává dřevu pevnost v tahu podél vláken. Vzájemné vázání buněk Jednotlivé buňky jsou navzájem slepované ligninem (střední lamela, mezibuněčná stěna). Hlavním úkolem ligninu je tedy spojování buněk a zpevnění celulózových struktur v rámci buněčných stěn. Dřevu dodává pevnost především v tlaku. SL střední lamela P primární stěna S sekundární stěna L lumen 18

19 Významná technická surovina: dřevní vlákno Dřevní vlákno: technický termín používaný pro surovinu, připravovanou z lignifikovanýchbuněk. Povaha suroviny závisí na stupni defibrilace dřevní hmoty. Limitou defibrilace je jedna dřevní buňka. Jemnější strukturou než lignifikované buňky jsou biopolymery, průmyslově se ze dřeva vyrábí celulóza. TU Manchester, Skenovací elektronový mikroskop, 2000 x Lignifikované buňky dřeva. Na povrchu patrné shluky mikrofibril celulózy 19

20 Princip výroby dřevního vlákna a celulózy Primárně z jehličnatého dřeva (struktura), preferenčně smrk a jedle (zřídka borovice, modřín). Výroba dřevního vlákna: štěpkování napařovánípři tlaku 3-8 bar defibraceve vodním prostředí (protiběžné disky), dle potřeby 1-2 krát. Výroba celulózy navíc chemické čištění = rafinace(chemické rozpuštění ligninu). Výroba dřevovláknitých materiálů s výhodou čerstvé(zbytkové) dřevo, vlhkost dřeva okolo 35% využití aktivní hemicelulózy a složek ligninu k opětovnému slepení vláken skutečně ekologické materiály ( nakypřené dřevo ). Dřevovláknité izolace ze starého dřeva je již nutné vyrábět s dodáním umělého pojiva. dřevoštěpka Detail dřevovlákna: svazky poškozených tracheid Tracheida a delignifikace 20

21 Dvojtečky Mezi buňkami dřeva existují mezibuněčná propojení, která zabezpečují transport vody a živin. Tato propojení se nazývají ztenčeniny a představují neztloustlá místa v buněčné stěně, ve kterých se nacházejí submikroskopické póry. Mikrofibrily jsou v místě ztenčenin odkloněné od pravidelného směru. U jehličnatého dřeva se tyto ztenčeniny nazývají dvojtečky. Dvojtečky jsou typickým znakem tracheid. Vznikají tak, že nad ztenčeninou primární stěny- uzavírací membránou, se klene sekundární stěna v podobě duté polokoule, ve které je otvor porus. Membrána je lehce propustná, protože se skládá z paprskovitě uspořádaných jemných vláken (margo), mezi kterými jsou velké otvory. Ve svém středu je však ztloustlá do čočkovitého tvaru torusu. Torus obvykle lignifikuje a je nepropustný pro vodu. Elasticita membrány umožňuje, že torus funguje jako ventil (a např. omezuje tím možnost sušení dřeva v sušárnách, tlakové impregnace dřevaaj.). 1 střední lamela a primární buněčná stěna 2 sekundární buněčná stěna 3 porus 4 torus 5 uzavírací membrána 21

22 Dvojtečky v tracheidách Hustota dvojteček je 70-90/tracheidu (jarní dřevo) a 8-24/tracheidu (letní buňky). Výskyt pouze v radiálních stěnách. 22

23 Detail dvojtečky Průměr porusu(otvoru) 4-8μm, 20-30% větší průměr má torus( uzavírací disk v membráně) průměr uzavírací membrány 8-31 μm Pohled na uzavírací membránu (margo): uprostřed torus od torusupaprsky (vlákna) tvořící propustnou membránu 23

24 Dvojtečky a permeability dřeva Ventilový efekt způsobuje (ve směru kolmo na radiální stěny) Nepropustnostdřevní struktury pro konvekci (gradient tlaku), například hloubkovou tlakovou impregnaci Propustnostdřevní struktury pro difúzi (gradient koncentrace), například difúze vodní páry a suchého vzduchu. Sorpcevlhkosti vede makroskopicky na bobtnánídřeva hydrofobie ligninu bobtnání buněčných stěn zvětšení porusu zvýšení permeability materiálu. Permeabilita dřeva se nutně řídí orientací tracheid ke směru difúze (difúzní kolmo na radiální směr budou permeability pro dřevo největší). Nahoře: prkno s malou permeabilitou Dole: prkno s vysokou permeabilitou (bez uvažování vlivu trhlin) 24

25 Názvosloví vrstev na řezu kmene stromu Kůra: ochranná vrstva proti mrazu, horku a poškození Lýko: vrstva, kterou proudí míza do koruny stromu Kambium: jednobuněčná vrstva pod lýkem, jejíž dělením vznikají nové dřevní buňky Bělové dřevo: světlá barva, část přiléhající k obvodu, vodivá funkce, není rozdíl v obsahu vody podél poloměru, měkčí a řidší. Vždy trpí šednutím! Jádrové dřevo: tmavší barva, vnitřní část kmene, neaktivní, nemá vodivou funkci, tvrdší a hustší než bělové dřevo. Nešedne! Zralé dřevo: barevně neodlišený přechod mezi jádrem a bělem, nemá již vodivou funkci, pokles vlhkosti od obvodu k ose kmene. Ne všechny dřeviny obsahují jádro: Jádrové jehličnany jsou modřín (venkovní obklady!), některé druhy borovice, tis, jalovec, listnáče potom např. dub, kaštan, ořech, topol. Zralé dřevo mají z jehličnanů například smrk, jedle a z listnáčů buk, osika. Bělové jsou zejména listnáče: bříza, lípa, javory, líska, hruška, habr, olše. 25

26 Proč jsou (kromě barvy) atraktivní jádrové dřeviny? Anglická terminologie Výroba lodí 26

27 Vady dřeva (z pohledu DRKO) Růstové vady (křivost, zbytnění, kroucení) Suky Smolníky Praskliny Průmysl oprav dřeva (suky smolníky) Moderní dřevo pro DRKO: lepené a aglomerované prvky 27

28 Produkty z rostlého dřeva (polotovary) Řezivo(hranoly, latě, prkna, fošny ) pilařská výroba (katry) Velké orientované třísky (OSB) speciální technologie, krouhání tužky Štěpka(dřevěný granulát,) hrubé štěpkování, rozbíjení dřeva kladivy Třísky(dřevotříska) třískovací stroje, mletí štěpky Dřevitá vata (dlouhé hobliny, desky typu Heraklit) hoblovací stroje Dřevovlákno(lisované a nelisované desky) enzymatické naměkčení, napaření defibrilátory (rozvlákňovací technologie protiběžných disků) Piliny(desky typu Cetris) odpad z pilařské výroby Dýhy (překližky, laťovky) loupací stroje Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. Jan Krňanský, CSc. 28

29 Výroba krájené dýhy Odkornění, krájení, sušení, balení a kontrola 29

30 Dřeviny pro řezivo: rozdělení označení řez 30

31 Tradiční lepidla pro malou výrobu Lepidla glutinová Glutinoválepidla patří mezi nejstarší lepidla, obvykle se nazývají kostní nebo kožní klih. Dnes v uměleckém truhlářství a při výrobě hudebních nástrojů. Lepicí glutinovýroztok se nanáší zásadně teplý40 až 50 C. Také lepené dřevo nesmí mít teplotu nižší než 20 C. Až na výjimky je nutné styčné plochy potřené lepidlem k sobě přitlačit. Lisovací doba činí 2 až 4 hodiny. Slepený spoj, při němž bylo použito živočišných klihů, není odolný vůči vodě, zvýšené teplotě ani mikroorganizmům. Lepidla kaseinová Starým prostředkem je lepidlo kaseinové. Našlo oblibu zvláště u těch zpracovatelů, kteří nemají důvěru k materiálům kupovaným a rádi si potřebné prostředky připravují sami. Kaseinovélepidlo je v podstatě odtučněný, vysušený a na prášek rozemletý tvaroh, který se mísí s páleným práškovým vápnemapotaší(k 2 CO 3 ). Lepidlo lze užít i za nízkých teplot (až do +5 C). Lisovací doba je delší (nejméně 5h). Spoj odolává vodě a zvýšené teplotě, méně mikroorganismům. Kaseinovélepidlo může způsobit, že přítomné alkalické látky pronikají přes dřevo a způsobují neodstranitelné žluté a hnědé zabarvení(např. ne pro dýhy). Polyvinylacetátová disperze (vodou ředitelná) Polyvinylacetátová disperze (PVAc) patří mezi modernídřevařskálepidla, která se používají hlavně pro montážní účely (tam, kde nelze zajistit těsnost styčných ploch tlakem). Disperzní lepidla PVActéměř vytlačila v průmyslové výrobě donedávna nejvýznamnější dřevařská lepidla glutinová. Proti nim mají výhodu především v tom, že se dají použít za studena, vyžadují kratší lisovací dobu a lepený spoj je odolnější vůči vodě. 31

32 Lepidla pro průmyslovou výrobu Důležité kritérium hodnocení lepidel: emisní limity tzv. VOClátky (VolatileOrganicCompounds), tj. látky, tj. těkavé organické sloučeniny. Evropská nařízení se o VOClátkách zmiňují, jejich hodnocení a limity však v rámci EU ještě nejsou jednotné. Formaldehyd (plyn, HCHO) je klasifikován jako pravděpodobný karcenogen Jako průmyslová lepidla (DTD, OSB, překližky.) jsou v současné době používány pryskyřice fenol-formaldehydové(pf), pryskyřice močovino-formaldehydové(uf), pryskyřice melamin-močovino-formaldehydové(muf) pryskyřice polyuretanové (MDI) MDI pojivo neobsahuje formaldehyd (HCHO) proto je měřitelný obsah formaldehydu emitujícího se z pojených výrobků nutné přičítat přírodní formě formaldehydu, vyskytujícího se pouze v použité dřevní hmotě. vývoj směřuje k lepidlům bezformaldehydovým formaldehyd 32

33 Doporučená literatura Bosshard H.H.: Holzkunde. Birkhäuser Verlag, Stuttgart Core H.A., Côté W.A., Day A.C.: Wood Structure and Identification. Syracuse University Press, Desch H.E., Dinwoodie J.M.: Timber. Structure, Properties, Conversion and Use. MacMillan Press, London Friedman J.P: Wood Identification an Introduction. In: Pacific Northwest Wet Site Wood Conference, Washington 1976, p.67. Hoadley R.B.: Identifying Wood. Accurate Results with Simple Tools. The Taunton Press, Požgaj A., Chovanec D., Kurjatko S., Babiak M.: Štruktúra a vlastnosti dreva. Príroda, Bratislava Šlezingerová J., Gandelová L.: Stavba dřeva. Vysoká škola zemědělská v Brně, Tsoumis G.: Science and Technology of Wood. Chapman& Hall, Perelygin, L.M.:Náuka o dreve. SVTL Bratislava,